DE3611590C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Varioobjektiv gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Ein solches Varioobjektiv gehört zum Stand der Technik.

Bei Varioobjektiven ist es neben der Erlangung einer guten Korrektur von Aberrationen bei einer Standardeinstellung im allgemeinen erforderlich, daß die gute Korrektur der Aberrationen über den gesamten Bereich der Brennweitenänderung so gut wie möglich beibehalten wird. Zu diesem Zweck müssen alle beweglichen Linsengruppen individuell gut für eine sphärische Aberration, für einen Asymmetriefehler und für Astigmatismus korrigiert werden. Daher wird jede dieser Linsengruppen üblicherweise aus mehreren Linsengliedern aufgebaut.

In jüngerer Zeit sind vermehrt die Forderungen nach einer Verminderung im Volumen sowie in den Abmessungen des Varioobjektivs und nach einer Erweiterung des Änderungsbereiches in der Brennweite erhoben worden. Bei der hier betrachteten Ausführungsform eines Varioobjektivs mit zwei oder mehr Linsengruppen, von denen die erste sowie zweite - gezählt von der Frontseite aus - in der Brechkraft negativ bzw. positiv sind und die in unterschiedlicher Beziehung zueinander axial bewegt werden, um die Brennweite des gesamten Objektivs zu verändern, kann man mit Bezug auf die erstgenannte Forderung, soweit das Gaußsche (paraxiale) Gebiet betroffen ist, entweder die Brechkraft jeder Linsengruppe verstärken oder den Abstand zwischen den Hauptpunkten der beiden aufeinanderfolgenden Linsengruppen verkürzen. Um den Änderungsbereich der Brennweite zu erweitern, kann man andererseits, soweit ebenfalls das Gaußsche Gebiet betroffen ist, entweder die Brechkraft jeder Linsengruppe verstärken oder die Verschiebestrecke der Linsengruppe verlängern. Für das Gaußsche (paraxiale) Gebiet allein zeigt sich insofern eine gemeinsame Maßnahme, um sowohl eine Verminderung in der Größe wie auch einen Anstieg im Brennweitenverhältnis eines Varioobjektivs zu erlangen, die darin besteht, die Brechkraft einer jeden Linsengruppe zu verstärken. Bezüglich der Zwischen- und Randzonen wird eine gute Stabilität in der Aberrationskorrektur erzielt, wenn die Anzahl der Linsenglieder in jeder Linsengruppe erhöht wird, um die Brechkraft der Linsengruppe zu erhöhen. Eine andere Möglichkeit zur Verstärkung der Brechkraft einer jeden Linsengruppe besteht darin, die Oberflächenkrümmung eines jeden Linsengliedes stärker zu machen. Zu diesem Zweck muß die Mittendicke der konvexen Linsenglieder oder der Luftabstand der konkaven Linsenflächen vergrößert werden. In jedem Fall muß die Gesamtdicke eines jeden Linsengliedes vermehrt werden, was zum Ergebnis hat, daß das Erlangen einer sehr erwünschten Verminderung der Länge des gesamten Objektivs behindert wird. Auch ist für einen gegebenen Wert der Länge des Varioobjektivs, je größer die Dicke eines jeden Linsengliedes ist, die verfügbare Verschiebestrecke um so kürzer. Ein Erreichen des sehr erwünschten Anstiegs im Brennweitenverhältnis des Varioobjektivs wird verhindert.

Linsen, die eine Brechzahlverteilung aufweisen, werden üblicherweise und auch hier als Gradientenindexlinsen oder GRIN- Linsen bezeichnet und sind an sich bekannt (Fachbuch: J. R. Meyer-Arendt, "Introduction to Classical and Modern Optics", Prentice Hall, Inc., Englewood Cliffs, New Jersey 1984, S. 362 bis 365). Unterschieden wird dabei zwischen GRIN-Linsen, bei denen sich die Brechzahl entlang der optischen Achse ändert, und GRIN-Linsen, bei denen sich die Brechzahl in Abhängigkeit von der Höhe über der optischen Achse ändert. Die erstgenannten GRIN-Linsen weisen eine axiale Brechzahlverteilung auf, und die zweitgenannten GRIN-Linsen weisen eine radiale Brechzahlverteilung auf. Wenn sich die Brechzahl mit zunehmendem Abstand von der optischen Achse verringert, so handelt es sich um eine GRIN- Linse mit positivem Gradienten, wogegen ein negativer Gradient vorliegt, wenn sich die Brechzahl mit zunehmender Höhe über der optischen Achse erhöht.

Durch die nachveröffentlichte Druckschrift DE 35 41 583 ist ein Varioobjekt mit zumindest einer GRIN-Linse bekannt. Soweit dabei das Varioobjekt einen Aufbau gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 hat, d. h., eine erste Linsengruppe mit negativer Brechkraft und eine zweite Linsengruppe mit positiver Brechkraft aufweist, ist die GRIN- Linse in der zweiten Linsengruppe angeordnet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Varioobjekt der im Oberbegriff von Patentanspruch 1 genannten Art zu schaffen, das kompakt aufgebaut ist und bei dem sphärische Aberration, Koma und Verzeichnung gut korrigiert sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Varioobjektiv gemäß Patentanspruch 1 gelöst, d. h. im wesentlichen dadurch, daß die erste Linsengruppe zumindest eine Linse mit einer radialen Brechzahlverteilung aufweist, wobei die Brechzahl mit zunehmendem Abstand von der optischen Achse abnimmt.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung ist eine Kompensation von sphärischer Aberration und Koma der vor der GRIN-Linse bzw. den GRIN-Linsen angeordneten negativen Linsenglieder und/oder eine Vermeidung von sphärischer Aberration und Koma sowie Verzeichnung der GRIN-Linse bzw. der GRIN-Linsen selbst erzielbar. Dabei sind in der ersten Linsengruppe zur Bildfehlerkorrektur nur wenige Linsenglieder und für die zumindest eine GRIN-Linse nur geringe Krümmungen der Linsenflächen sowie geringe Linsendicken erforderlich, so daß die erste Linsengruppe und damit das ganze Varioobjektiv kompakt aufgebaut sein können.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Varioobjektiv gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,

Fig. 2 graphische Darstellungen von Aberrationen des ersten Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 1 für drei verschiedene Brennweiteneinstellungen,

Fig. 3 in einer Fig. 1 ähnlichen Darstellung ein zweites Ausführungsbeispiel,

Fig. 4 in einer Fig. 2 ähnlichen Darstellung die Aberrationen des zweiten Ausführungsbeispiels,

Fig. 5 in einer Fig. 1 ähnlichen Darstellung ein drittes Ausführungsbeispiel und

Fig. 6 in einer Fig. 2 ähnlichen Darstellung die Aberrationen des dritten Ausführungsbeispiels.

Bei dem Beispiel in Fig. 1 und 2 eines Varioobjektivs gemäß der Erfindung - im folgenden kurz "Objektiv" genannt - stellt Ri (i=1, 2, 3, . . .) den Krümmungsradius der Fläche i - gezählt von der Frontseite - dar, während Di (i=1, 2, 3, . . .) die axiale Dicke oder den Luftabstand zwischen der Fläche i sowie der Fläche (i+1) - gezählt von der Frontfläche - und A sowie B die erste bzw. zweite Linsengruppe darstellen, deren Bewegungsbahnen während der Brennweitenänderung grob durch die mit Pfeilen versehenen Kuven angegeben sind.

Die Aberrationskurven beziehen sich auf die sphärische Aberration, den Astigmatismus und die Verzeichnung, wenn die Brennweite f=100, f=138,9 (ca. 140) und f=188,4 (ca. 190) ist. Die sphärische Aberration für die spektrale g-Linie bzw. d-Linie ist mit g und d bezeichnet, während mit S bzw. M die sagittale bzw. meridionale Bildfeldschale bezeichnet ist.

Die Zahlenwerte, entsprechend denen das Objektiv von Fig. 1 konstruiert werden kann, sind in den folgenden Tabellen 1-1 sowie 1-2 angegeben, während die Werte der Koeffizienten der Glieder einer Brechzahlverteilungsfunktion für die verwendete Linse mit radialer Brechzahlverteilung - im folgenden kurz GRIN-Linse genannt - in der folgenden Tabelle 1-3 angegeben sind. In der Tabelle 1-1 ist f die Brennweite, ist FNO die Blendenzahl, ist 2ω das Gesamtbildfeld und ist Ri (i=1, 2, 3, . . .) der Krümmungsradius der Fläche i, wobei eine frontseitig konvexe Krümmung als positiv und die konkave Krümmung als negativ gelten. Mit Di (i=1, 2, 3, . . .) ist die axiale Dicke oder der Luftabstand zwischen den Flächen i sowie (i+1) bezeichnet. Ni und νi (i=1, 2, 3, . . .) sind die Brechzahl bzw. die Abbesche Zahl des (i+1)-Linsengliedes - gezählt von der Frontseite. Ferner kann die Brechzahlverteilungsfunktion für die GRIN-Linse an der Stelle i - gezählt von der Frontseite - in Abhängigkeit von der Höhe h von der optischen Achse durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden:

Ni(h) = N₀ + N₁h² + N₂h⁴ + N₃h⁶ + N₄h⁸ + N₅h¹⁰ + . . . (1)

worin sind:

N₀ der Wert der Brechzahl an der Achse und
N₁, N₂, N₃ . . . die Koeffizienten.

Die Werte für die g-Linie und d-Linie von N₀ und den Koeffizienten sind in der Tabelle 1-3 angegeben. Es ist zu bemerken, daß die Tabelle 1-2 die axialen Luftabstände zwischen den Linsengruppen A und B während einer Änderung der Brennweite zeigt.

Das Objektiv von Fig. 1 umfaßt - von der Front- zur Rückseite - die negative erste Linsengruppe A sowie die positive zweite Linsengruppe B, die beide unter Verminderung des Luftabstandes zwischen ihnen axial bewegt werden, wenn die Brennweite des Objektivs vom kürzesten zum längsten Wert verändert wird. Die frontseitige erste Linsengruppe A besteht - von der Front- zur Rückseite - aus einem negativen Meniskus mit frontseitiger Konvexität, der durch die Flächen mit den Krümmungsradien R₁ sowie R₂ bestimmt ist, und aus einer GRIN-Linse mit positivem radialen Gradienten, die durch die Flächen mit den Krümmungsradien R₃ sowie R₄ bestimmt ist. Bei der rückwärtigen zweiten Linsengruppe B sind alle Linsenglieder aus homogenen Medien gefertigt.

Die GRIN-Linse mit den Krümmungsradien R₃, R₄ hat eine solche Struktur, daß sich die Brerchzahl in geringem Ausmaß im paraxialen (Gaußschen) Gebiet ändert sowie steil im Randbereich abfällt, und sie ist, wenn in der Gleichung (1) der Koeffizient N₂<0 ist, imstande, die tonnenförmige (negative) Verzeichnung in den Weitwinkelstellungen auf ein Minimum zu korrigieren.

In den Telestellungen wird zudem in der GRIN-Linse die von der zweiten Fläche R₂ der ersten Objektivlinse erzeugte sphärische Aberration, die weit überkorrigiert ist, in die entgegengesetzte Richtung korrigiert. Ferner wird die Koma in den Telestellungen zu einer Überkorrektur hin beeinflußt.

Aus diesem Grund kann die negative erste Linsengruppe mit lediglich zwei Linsen gliedern konstruiert werden, wobei sich noch immer eine gute Stabilität in der Korrektur der verschiedenen Aberrationen über den gesamten Bereich erreichen läßt.

Die Verwendung der GRIN-Linse führt zu zusätzlichen, im folgenden erörterten Vorteilen.

Da die negative erste Linsengruppe A mit einer geringen Anzahl von Linsengliedern gefertigt werden kann, werden geringes Gewicht und eine große vorteilhafte Kompaktheit erzielt, was mit der Möglichkeit einer Verkürzung der Gesamtlänge des Objektivs verknüpft ist. Auch kann der wirksame Durchmesser des frontseitigen Linsengliedes, der für das außeraxiale Strahlenbündel notwendig ist, auf ein Minimum reduziert werden. Ferner können, soweit die Aberrationskorrektur betroffen ist, die tonnenförmige Verzeichnung in den Weitwinkelstellungen und die sphärische Aberration sowie die Koma in den Telestellungen auf ein Minimum begrenzt werden.

Tabelle 1-1

Tabelle 1-2

Tabelle 1-3

Die Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform für ein erfindungsgemäßes Objektiv, dessen Aberrationen in den Brennweitenpositionen f=100, f=171 und f=287 in Fig. 4 gezeigt sind und das in Übereinstimmung mit den in den Tabellen 2-1 bis 2-3 angegebenen Daten gefertigt werden kann, wobei die Brechzahlverteilung durch die Gleichung (1) ausgedrückt wird.

Das Objektiv von Fig. 3 umfaßt - von der Front- zur Rückseite - eine negative erste Linsengruppe A, eine positive zweite Linsengruppe B, eine negative dritte Linsengruppe C und eine positive vierte Linsengruppe D, die bei einer Erhöhung der Brennweite des Objektivs vom kleinsten zum größten Wert alle axial bewegt werden, wobei die Luftabstände zwischen den Linsengruppen A und B sowie C und D vermindert werden und der Luftabstand zwischen den Linsengruppen B und C vergrößert wird. Die negative, erste Linsengruppe A weist eine negative, meniskusförmige GRIN-Linse mit positivem radialen Gradienten auf, die in der vordersten Position angeordnet und von den Flächen mit den Krümmungsradien R₁ sowie R₂ bestimmt ist.

Wenn bei einer ersten Linsengruppe mit negativer Brechkraft das Bildfeld so groß wie bei dem beschriebenen Objektiv ist, dann erzeugt die negative erste Linsengruppe in den Weitwinkelstellungen eine große tonnenförmige Verzeichnung, was ein Hindernis für eine Aberrationskorrektur darstellt. Da jedoch das vorderste Linsenglied der negativen ersten Linsengruppe A als GRIN-Linse mit einem positiven radialen Gradienten und mit einer derartigen Struktur ausgebildet ist, daß die Brechzahl im Randbereich kleiner ist als im Gaußschen Gebiet, ist die tonnenförmige, von der ersten Linsengruppe A in den Weitwinkelstellungen hervorgerufene Verzeichnung vermindert.

Die zweite Fläche mit dem Krümmungsradius R₂ erzeugt üblicherweise eine große, überkorrigierte, sphärische Aberration. Wenn man jedoch dem ersten Linsenglied die erwähnte Brechzahlstruktur verleiht, so wird die Tendenz zur Überkorrektur der sphärischen Aberration vermindert, weil die Brechzahl an der konkaven bildseitigen Fläche der negativen GRIN-Linse mit anwachsender Höhe von der optischen Achse progressiv kleiner wird.

Die Verleihung einer derartigen Brennzahlverteilung der GRIN-Linse ruft eine sphärische Aberration und eine Koma in der zu der Richtung, in der sie von der zweiten Fläche der GRIN-Linse erzeugt werden, entgegengesetzten Richtung oder eine unterkorrigierte sphärische Aberration und eine unterkorrigierte Koma hervor, wodurch eine Aberrationskorrekturwirkung erzielt wird.

Es ist deshalb die Möglichkeit geschaffen, ein für eine gute Stabilität der verschiedenen Aberrationen über den gesamten Änderungsbereich der Brennweite korrigiertes Objektiv zu erlangen.

Die beschriebene Vewendung der GRIN-Linse führt zu zusätzlichen Vorteilen. Die Anzahl der Linsenglieder der negativen ersten Linsengruppe des Objektivs der oben beschriebenen Art, die üblicherweise vier oder mehr betrug, ist auf drei herabgesetzt. Dies läßt eine Verminderung im Gewicht und in der Gesamtlänge der ersten Linsengruppe erreichen, weshalb es möglich wird, die Gesamtlänge des Objektivs zu verkürzen.

Auch wird die tonnenförmige Verzeichnung in den Weitwinkelstellungen auf ein Minimum verringert und können die sphärische Aberration sowie die Koma in den Telestellungen gut korrigiert werden.

Die oben herausgestellten verbesserten Ergebnisse können insbesondere dann erreicht werden, wenn die Bedingung N₂<0 erfüllt ist.

Tabelle 2-1

Tabelle 2-2

Tabelle 2-3

Ein drittes Beispiel für ein Objektiv mit veränderlicher Brennweite gemäß der Erfindung ist in Fig. 5 gezeigt, wobei die Aberrationen in den Brennweitenpositionen f=100, f=170,8 sowie f=286 in Fig. 6 dargestellt sind. Das Objektiv kann gemäß den Zahlenangaben in den Tabellen 3-1 bis 3-3 konstruiert werden, wobei die Brechzahlverteilung N₁ (h) durch die Gleichung (1) ausgedrückt wird und wobei eine Gleichung für die Brechzahlverteilung N₂ (x) einer GRIN-Linse vom axialen Typ in Abhängigkeit von dem vom frontseitigen Scheitel gemessenen axialen Abstand ausgedrückt werden kann als

Ni (x) = N₀ + N₁x + N₂x² + N₃x³ + N₄x⁴ + . . . (2)

worin sind:

N₀ die Brechzahl am frontseitigen Scheitel und
N₁, N₂, N₃, . . . die Brechzahlverteilungskoeffizienten.

Das Objektiv gemäß Fig. 5 umfaßt - von der Front- zur Rückseite - eine negative erste Linsengruppe A, eine positive zweite Linsengruppe B, eine negative dritte Linsengruppe C und eine positive vierte Linsengruppe D, die bei einer Vergrößerung der Brennweite vom kleinsten zum größten Wert alle axial bewegt werden, wobei die Luftabstände zwischen den Linsengruppen A und B sowie zwischen den Linsengruppen C und D vermindert werden und der Luftabstand zwischen den Linsengruppen B und C vergrößert wird.

Die negative erste Linsengruppe A ist an der vordersten Stelle mit einer negativen, meniskusförmigen GRIN-Linse mit positivem radialem Gradienten, die von den Flächen mit den Krümmungsradien R₁ sowie R₂ begrenzt ist, sowie mit einer GRIN-Linse der axialen Art versehen, die von der Fläche mit dem Krümmungsradius R₃ zur Fläche mit dem Krümmungsradius R₄ ansteigende Brechzahl aufweist und bildseitig von der GRIN-Linse radialer Art angeordnet ist.

Bei bekannten Weitwinkelobjektiven nach dem Stand der Technik mit einem Aufbau, der dem des beschriebenen Objektivs ähnlich ist insofern, als die erste Linsengruppe eine negative Brechkraft hat, wurde die erste Linsengruppe wegen der von ihr erzeugten großen tonnenförmigen Verzeichnung in den Weitwinkelstellungen als ein Hindernis in bezug auf eine Verbesserung der Aberrationskorrektur angesehen. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist dem vordersten Linsenglied eine solche Brechzahlverteilung gegeben, daß die Brechzahl im Randbereich geringer als im Gaußschen Gebiet ist, d. h., für das vorderste Linsenglied kommt eine GRIN-Linse mit einem positiven radialen Gradienten zum Einsatz, damit die von der negativen ersten Linsengruppe A erzeugte tonnenförmige Verzeichnung in den Weitwinkelstellungen auf ein Minimum gebracht wird.

Die zweite Fläche mit dem Krümmungsradius R₂ der vordersten Linsenglieder in der ersten Linsengruppe A erzeugt eine sphärische Aberration in einer Richtung, die weit überkorrigiert ist. Das Vorhandensein der obenerwähnten Brechzahlverteilung verringert die Tendenz zu einer Überkorrektur der sphärischen Aberration, weil die Brechzahl in der konkaven Fläche mit dem Krümmungsradius R₂ des negativen ersten Linsengliedes mit einem Anwachsen der Höhe von der optischen Achse abnimmt.

Wenn man dem negativen ersten Linsenglied eine derartige Brechzahlverteilung verleiht, so bewirkt dies auch, eine sphärische Aberration und eine Koma in der entgegengesetzten Richtung zu derjenigen, in der die zweite Fläche mit dem Krümmungsradius R₂ des negativen ersten Linsengliedes diese erzeugt, womit eine Korrekturwirkung erzielt wird. Es ist darauf hinzuweisen, daß die oben beschriebenen verbesserten Ergebnisse in der Aberrationskorrektur insbesondere dann erreicht werden, wenn die Bedingung N₂<0 erfüllt ist, wobei N₂ der Koeffizient der Gleichung (1) für die Brechzahlverteilung N (h) ist.

Das zweite, weiter bildseitig liegende, von den Flächen mit den Krümmungsradien R₃ sowie R₄ begrenzte Linsenglied in der negativen ersten Linsengruppe A hat eine derartige Brechzahlverteilung, daß die Brechzahl mit ansteigendem Abstand von der Front- zur Rückseite progressiv größer und die sphärische Aberration, die durch das erste Linsenglied unterkorrigiert war, in Richtung einer Überkorrektur beeinflußt wird.

Es ist deshalb möglich, ein Objektiv mit veränderlicher Brennweite zu erlangen, das für eine gute Stabilität der Aberrationen über den erweiterten Bereich der Brennweitenänderung korrigiert ist.

Tabelle 3-1

Tabelle 3-2

Tabelle 3-3

Ein weiterer Vorteil der beschriebenen Ausführungsbeispiele besteht darin, daß die Verwendung von wenigstens einer GRIN-Linse in der ersten Linsengruppe die Möglichkeit bietet, den Abstand zwischen den Hauptpunkten der ersten sowie der zweiten Linsengruppe zu vermindern. Das führt zu einer Abnahme im Durchmesser des äußeren Objektivtubus vermindert werden. Damit werden Filter mit kleinerem Durchmesser verwendbar.

Claims (4)

1. Varioobjektiv mit mehreren Linsengruppen, von denen die erste eine negative Brechkraft und die zweite eine positive Brechkraft aufweist, wobei diese zwei Linsengruppen zur Brennweitenänderung relativ zueinander verschiebbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Linsengruppe (A) zumindest eine Linse (R₃, R₄ in Fig. 1; R₁, R₂ in Fig. 3 und 5) mit einer radialen Brechzahlverteilung aufweist, wobei die Brechzahl mit zunehmendem Abstand von der optischen Achse abnimmt.

2. Varioobjektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn die Brechzahl der Linse (R₃, R₄ in Fig. 1; R₁, R₂ in Fig. 3 und 5) mit radialer Brechzahlverteilung ausgedrückt wird durch N (h) = N₀ + N₁h² + N₂h⁴ + N₃h⁶ + . . .worin h die Höhe von der optischen Achse, N₀ die Brechzahl auf der optischen Achse und N₁, N₂, N₃, . . . die Koeffizienten sind, die Bedingung N₂<0 erfüllt ist.

3. Varioobjektiv nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich die Bedingung N₁<0 erfüllt ist.

4. Varioobjektiv nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse (R₃, R₄ in Fig. 1) mit radialer Brechzahlverteilung bildseitig konkav ist und zum folgenden Linsenglied (R₅, R₆) auf der optischen Achse einen kleineren Luftabstand als in den Randbereichen hat.