DE3932634C2

DE3932634C2 -

Info

Publication number: DE3932634C2
Application number: DE3932634A
Authority: DE
Inventors: Jun Tokio/Tokyo Jp Hirakawa
Original assignee: Asahi Kogaku Kogyo Co Ltd
Current assignee: Pentax Corp
Priority date: 1988-09-30
Filing date: 1989-09-29
Publication date: 1992-02-20
Also published as: DE3932634A1; US4934797A

Description

Die Erfindung betrifft ein Weitwinkelobjektiv vom Typ umgekehrter Teleobjektive. Derartige Objektive weisen eine relativ große bildseitige Schnittweite auf, so daß sie vor allem für die Verwendung in einäugigen Spiegelreflexkameras geeignet sind.

Aus der DE-OS 24 13 473 ist ein Weitwinkelobjektiv vom Typ umgekehrter Teleobjektive bekannt, das eine negative, vordere Linsengruppe mit einer ersten, objektseitig konvexen positiven Linse, einer zweiten, objektseitig konvexen negativen Meniskuslinse und einer dritten, objektseitig konvexen negativen Meniskuslinse sowie eine positive, hintere Linsengruppe umfaßt, wobei zum Fokussieren des Objektivs nur die hintere Linsengruppe verstellt wird. Bei diesem Objektiv gelten die Werte h_R/h_F=1,046 und f/f_F=0,377, worin bedeuten:

h_F = Durchtrittshöhe des Öffnungsstrahles an der ersten Fläche der vorderen Linsengruppe,
h_R = Durchtrittshöhe des Öffnungsstrahles an der ersten Fläche der hinteren Linsengruppe,
f = Brennweite des Objektivs, und
f_F = Brennweite der vorderen Linsengruppe.

Darüber hinaus sind Weitwinkelobjektive vom Typ umgekehrter Teleobjektive mit einer relativen Öffnung bzw. einem halben Bildfeld in der Größenordnung von 1 : 2,0 bzw. 42° in verschiedenen Versionen aus JP-A-59-1 85 307, JP-B-55-42 364 und JP-A-55-1 64 805 bekannt.

Da selbst-fokussierende Kameras eine wachsende Akzeptanz gefunden haben, ist ein Bedarf nach leichterer Fokussierung des Objektivs entstanden, um die Belastung der Antriebseinheit, welche die Fokussierung herbeiführt, zu verringern. Auch bei Weitwinkelobjektiven vom Typ umgekehrter Teleobjektive soll die Fokussierung allein durch Bewegen eines Teils des Objektivs erfolgen, weil die vordere Linsengruppe solcher Weitwinkelobjektive relativ schwer ist. Typische Beispiele für ein Weitwinkelobjektiv, das die Fokussierung allein durch Bewegen eines Teils des Objektivs bewirkt, sind außer in der eingangs genannten DE-OS 24 13 473 auch in JP-A-62-2 49 119 und JP-A-62-2 91 613 beschrieben.

Das in JP-A-62-2 49 119 beschriebene Objektiv besitzt ein halbes Bildfeld von etwa 42°, wobei zur Fokussierung nur die hintere Linsengruppe bewegt wird. Das Hauptproblem bei diesem Objektiv besteht darin, daß die relative Öffnung von 1 : 2,8 keine ausreichende Lichtstärke erbringt und daß eine deutliche Änderung der Position der außeraxialen Bildfeldschale während der Fokussierung erfolgt.

JP-A-62-2 91 613 beschreibt verschiedene Konstruktionen zur Durchführung der Fokussierung des Objektivs durch Bewegen der hinteren Linsengruppe, die jedoch in zwei Untergruppen unterteilt ist, welche separat verstellt werden müssen, so daß die Linsenfassung kompliziert ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Weitwinkelobjektiv vom Typ umgekehrter Teleobjektive zu schaffen, das mit einer relativen Öffnung von etwa 1 : 2,0 verhältnismäßig lichtstark ist und trotzdem mit einem maximal nutzbaren halben Bildwinkel von etwa 42° ein verhältnismäßig großes Bildfeld ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Das erfindungsgemäße Objektiv weist den Vorteil auf, daß sogar bei relativ kleiner Brechkraft der ersten Linsengruppe ein verhältnismäßig großes Bildfeld erzielbar ist.

Eine Weiterbildung der Erfindung ergibt sich aus dem Patentanspruch 2.

Die zweite Linsengruppe kann eine negative Meniskuslinse mit einer objektseitig konvexen Fläche, eine positive Linse, ein Kittglied mit objektseitig konkaver oder konvexer Kittfläche, eine negative Linse, ein Kittglied mit objektseitig konvexer Kittfläche und eine positive Meniskuslinse mit einer bildseitig konvexen Fläche umfassen.

Beim Objektiv nach der vorliegenden Erfindung wird das Fokussieren durch Bewegen allein der hinteren Linsengruppe bewirkt, was nicht nur zu einer einfachen Bauweise der Objektivfassung beiträgt, sondern auch zu einer Verringerung der Belastung der Objektivantriebseinheit im Falle der Verwendung in einer selbstfokussierenden Kamera. Weiter ermöglicht die Bauweise der vorderen Linsengruppe, zusammen mit der Erfüllung der Bedingungen (1) und (2) von Patentanspruch 1 und vorzugsweise auch der Bedingung (3) von Patentanspruch 2, die Schaffung eines Weitwinkelobjektivs vom Typ umgekehrter Teleobjektive, welches über einen weiten Entfernungseinstellbereich von Unendlich bis Nah hoch leistungsfähig ist.

Wie aus den nachfolgend beschriebenen Beispielen hervorgeht, beträgt das Gewicht des optischen Materials, aus dem die hintere Linsengruppe hergestellt ist, fast nur die Hälfte des Gewichtes des im gesamten Objektiv verwendeten optischen Materials. Daher ist auch die Durchführung der Fokussierung durch Bewegen der hinteren Linsengruppe bei geringer Belastung der Objektivantriebseinheit relativ einfach.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen

Fig. 1, 4, 7, 10 und 13 vereinfachte Schnittbilder von Beispielen 1, 2, 3, 4 bzw. 5 der Erfindung,

Fig. 2, 5, 8, 11 und 14 Diagramme der Aberrationskurven der Objektive nach den Beispielen 1, 2, 3, 4 bzw. 5 jeweils in der Einstellung "Unendlich",

Fig. 3, 6, 9, 12 und 15 Diagramme der Aberrationskurven der Objektive nach den Beispielen 1, 2, 3, 4 und 5 jeweils in der Nah-Einstellung, wobei die Bildvergrößerung bei den Beispielen 1 bis 4 den Wert 1/10 und beim Beispiel 5 den Wert 1/12,5 beträgt.

Der Pfeil in den vereinfachten Schnittbildern gemäß Fig. 1, 4, 7, 10 und 13 gibt jeweils die Richtung an, in welcher die hintere Linsengruppe bei der Fokussierbewegung von Unendlich- auf Nah-Einstellung bewegt wird.

Die vordere Linsengruppe des erfindungsgemäßen Weitwinkelobjektivs ist fest und wird bei der Fokussierung nicht bewegt. Ihre Funktion besteht darin, die Durchtrittshöhen der Öffnungsstrahlen an der hinteren Linsengruppe zu vergrößern, wodurch die erforderliche Schnittweite und eine Verkleinerung des Einfallswinkels der Hauptstrahlen auf die hintere Linsengruppe bewirkt wird.

Das erfindungsgemäße Weitwinkelobjektiv erfüllt die Bedingungen

1,1<h_R/h_F<1,3 und (1)

-0,35<f/f_F<0,0 (2)

von Patentanspruch 1, damit eine Konfiguration geschaffen wird, welche die oben beschriebenen Wirkungen zeigt.

Die vordere Linsengruppe ist schwach lichtstreuend, wie sich aus der Bedingung (2) ergibt. Falls sie eine Brechkraft besitzt, die nicht der Bedingung (2) genügt, ändert sich die Durchtrittshöhe der Öffnungsstrahlen an der hinteren Linsengruppe, wenn sich die letztere während des Fokussierens bewegt, was zu einer Änderung der sphärischen Aberration führt. Deshalb ist die vordere Linsengruppe nach Möglichkeit im wesentlichen afokal. Insbesondere bilden die zweite und dritte Linse der vorderen Linsengruppe ein im wesentlichen afokales Teilsystem.

Während des Fokussierens steht die vordere Linsengruppe fest und nur die hintere Linsengruppe wird zur Veränderung des Abstandes zwischen vorderer und hinterer Linsengruppe bewegt, wodurch die Änderung der Position der außeraxialen Bildfeldschale wirksam kompensiert wird, welche aufgrund der Veränderung des Abstandes vom Objekt auftritt.

Die Bedingung (1) gibt den Bereich für die Durchtrittshöhe des Öffnungsstrahles an der ersten Fläche der hinteren Linsengruppe an. Wenn die untere Grenze dieser Bedingung nicht erreicht wird, d. h., wenn die Durchtrittshöhe an der ersten Fläche der hinteren Linsengruppe klein bleibt, entstehen Schwierigkeiten nicht nur hinsichtlich der Gewährleistung der notwendigen bildseitigen Schnittweite, sondern auch hinsichtlich des Bildfeldes. Falls andererseits die obere Grenze der Bedingung (1) überschritten wird, muß die negative Brechkraft der zweiten Linse der vorderen Linsengruppe vergrößert werden, was aber zu Koma führt. Die Durchtrittshöhe der Öffnungsstrahlen an der hinteren Linsengruppe könnte durch Vergrößern des Abstandes zwischen der zweiten und dritten Linse der vorderen Linsengruppe vergrößert werden. Jedoch ist diese Vorgehensweise nicht wünschenswert, weil nicht nur die Größe der vorderen Linsengruppe, sondern auch die Gesamtlänge des Objektivs größer würden.

Weiter würde, wenn die vordere Linsengruppe im wesentlichen afokal ausgebildet würde und die Durchtrittshöhe der paraxialen Strahlen an der hinteren Linsengruppe 1,1 bis 1,3 beträgt, die Brennweite der hinteren Linsengruppe ebenfalls um das 1,1- bis 1,3fache der Brennweite des Objektivs größer werden. Dies bezieht sich auf den Betrag, um den das Objektiv während der Fokussierung auf Nah-Einstellung vorgerückt wird, was so kommentiert werden kann, daß die Bewegung der hinteren Linsengruppe einen Gleiteffekt bewirkt, bei dem die Änderung der Position der außeraxialen Bildfeldschale, welche aus der Änderung des direkten Abstandes zwischen der vorderen und hinteren Linsengruppe resultiert, die in der Nah-Einstellung des Objektivs auftretende Änderung der Position der außeraxialen Bildfeldschale aufhebt, und umgekehrt.

Wird die Bedingung unterschritten, mit der Folge einer Abnahme der Durchtrittshöhen der Öffnungsstrahlen an der hinteren Linsengruppe (d. h. der Abnahme ihrer Brennweite), wird die Änderung des Abstandes zwischen der vorderen und der hinteren Linsengruppe, die infolge der Fokussierung auf ein nahegelegenes Objekt eintritt, zu klein, um effektiv die Änderung der Lage der außeraxialen Bildfeldschale zu kompensieren, die auftritt, wenn sich das Objekt in geringer Entfernung befindet.

Bei Überschreiten der Bedingung (1), falls also die Durchtrittshöhen der Öffnungsstrahlen an der hinteren Linsengruppe größer werden, mit der Folge einer Vergrößerung ihrer Brennweite, muß die hintere Linsengruppe bei der Fokussierung auf ein nahe gelegenes Objekt so stark verstellt werden, daß es erforderlich wird, den Abstand zwischen der vorderen und hinteren Linsengruppe auch dann groß zu halten, wenn sich das Objekt im Abstand Unendlich befindet, was zu einer Vergrößerung der Gesamtlänge des Objektivs führt. Außerdem wird die Änderung der Position der außeraxialen Bildfeldschale, die eintritt, wenn sich das Objekt im Nah-Abstand befindet, überkompensiert.

Die Bedingung (2) gibt die Stärke der Brechkraft an, welche die vordere Linsengruppe besitzen sollte. Wie bereits erwähnt, sollte die vordere Linsengruppe möglichst nahezu afokales sein und im wesentlichen die Brechkraft Null besitzen. Wenn die vordere Linsengruppe eine negative Brechkraft solcher Art besitzt, daß die untere Grenze der Bedingung (2) nicht erreicht wird, tritt eine unerwünschte Änderung der sphärischen Aberration auf oder es entsteht während der Fokussierung außeraxiales Koma. Soll die Brechkraft der vorderen Linsengruppe in einem Ausmaß reduziert werden, daß die obere Grenze der Bedingung (2) überschritten wird, muß die negative Brechkraft der zweiten Linse der vorderen Linsengruppe verringert werden, was aber Schwierigkeiten im Hinblick auf die Erfüllung der Bedingung (1) hervorruft, so daß es sehr schwierig ist, das Objektiv für ein großes Bildfeld zu korrigieren.

Bei dem in JP-A-62-249 119 beschriebenen Objektiv ist die vordere Linsengruppe aus einem positiven und einem negativen Linsenelement zusammengesetzt und keinesfalls afokal. Weiter ist die Brennweite der hinteren Linsengruppe nur 1,07 mal größer als die des Gesamtsystems, was es schwierig macht, eine wirksame Kompensation der Position der außeraxialen Bildfläche bei einem nahestehenden Objekt zu erzielen. Außerdem ist die relative Öffnung dieses Objektivs sehr klein (ca. 1 : 2,8).

Die hintere Linsengruppe des Objektivs der vorliegenden Erfindung weist vorzugsweise eine Blende auf, und bei der lichtstreuenden Ebene in der Nähe der Blende handelt es sich um eine asphärische Oberfläche, deren negative Brechkraft von der Mitte nach außen zunimmt. Die asphärische Geometrie erfüllt vorzugsweise die Bedingung

von Patentanspruch 2. Die hintere Linsengruppe des Weitwinkelobjektivs besitzt eine stark positive Brechkraft, um die divergierenden Lichtstrahlen, die von der vorderen Gruppe ausgehen, zu sammeln. Die sphärische Aberration neigt also dazu, in der hinteren Gruppe überkompensiert zu werden, während die Petzvalsumme dahin tendiert, einen großen positiven Wert anzunehmen.

Falls die asphärische Oberfläche in der Nähe des Blendenstops angeordnet wird, werden außeraxiale Strahlen nicht wesentlich beeinflußt; statt dessen werden einzig axiale Strahlen beeinflußt (vgl. S. 119 der Publikation: "Designs and Applications of Aspheric Optical Systems", Trikeps Blue Papers No. 47, herausgegeben von der Trikeps Planning Division, veröffentlicht am 22. Februar 1985). In Bezug auf die Wellenfrontaberration nimmt die sphärische Aberration im Hinblick auf h der Pupille einer Form vierter Ordnung an (h ist eine Koordinate in der zur optischen Achse normalen Richtung); (vgl. die Veröffentlichung von H. Kubota, "Applied Optics", 2.7 Shape of Wavefront, Seiten 68-69, 16. Ausgabe, publiziert durch Iwanami Shoten, 20. April 1977).

Somit kann durch Anordnen einer asphärischen Oberfläche mit einer Form von im wesentlichen vierter Ordnung und einer von der Mitte nach außen zunehmenden negativen Brechkraft, in der Nähe der Blende die sphärische Aberration, welche bei Objektiven vom Typ umgekehrter Teleobjektive die Eignung zur Unterkompensation besitzt, wirksam kompensiert werden, ohne ins Gewicht fallende Wirkungen auf außeraxiale Lichtstrahlen auszuüben. Kurz gesagt werden gemäß der vorliegenden Erfindung außeraxiale Aberrationen, wie beispielsweise Bildfeldwölbung, Farbquerfehler und Verzeichnung, wirksam durch das Objektiv kompensiert, während etwaige sphärische Restaberrationen durch die asphärische Linsenfläche in der Nähe der Blenden kompensiert werden.

Bedingung (3) umschreibt grob die Geometrie der asphärischen Linsenfläche und zeigt, daß sie im wesentlichen vierter Ordnung ist. Wenn die asphärische Linsenfläche von einer höheren Ordnung ist, so daß die obere Grenze der Bedingung (3) überschritten wird, werden Randstrahlen auf der optischen Achse überkompensiert. Wenn die asphärische Oberfläche von geringerer Ordnung ist, so daß die untere Grenze der Bedingung (3) nicht erfüllt wird, kann keine Kompensation der sphärischen Aberration erreicht werden. Würde der Absolutwert der Asphärizität verringert, wäre es möglich, eine asphärische Linsenfläche einer Größenordnung zu schaffen, die außerhalb des durch die Bedingung (3) spezifizierten Bereiches liegt. Kleinere absolute Werte der Asphärizität bedeuten aber, daß die asphärische Linsenfläche bei der Kompensation der sphärischen Aberration weniger wirksam ist, was für den Zweck der vorliegenden Erfindung sicher nicht von Vorteil ist.

Beispiele

Nachfolgend werden fünf Beispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf Datenblätter beschrieben, wobei die benutzten Datenbezeichnungen bedeuten: f - die Brennweite, ω - der halbe Bildfeldwinkel, f_B - die bildseitige Schnittweite, r - der Krümmungsradius einer einzelnen Linsenfläche, d - die Linsendicke oder der direkte Abstand zwischen Linsen, n - die Brechzahl einer einzelnen Linse für die d-Linie und ν - die Abbe'sche Zahl einer einzelnen Linse.

Die Geometrie einer asphärischen Linsenfläche soll durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden:

wobei x eine Koordinate in Richtung der optischen Achse, h eine Koordinate in der Richtung der Normalen zur optischen Achse, c die Krümmung (a/r), k die Konizitätskonstante und An der Asphärizitätskoeffizient (n = 4, 6, 8 und 10) sind.

Aus wirtschaftlichen Gründen bestehen die in Verbindung mit den nachfolgenden Beispielen verwendeten asphärischen Linsen aus einer sphärischen Linse, auf die ein lichtdurchlässiger Harzüberzug aufgebracht wurde. Gewünschtenfalls können auch asphärische Linsen aus Glas verwendet werden.

Beispiel 1

1 : 2,0; ω = 42,3°; f = 100,00; f_B = 149,87

Die asphärischen Koeffizienten der 14. Linsenfläche sind:

k = 0,0
A₄ = -8,63 × 10^-7
A₆ = 0,0
A₈ = 0,0
A₁₀ = 0,0

Bei dem Abbildungsmaßstab von
1/10, d₆ = 4,99; f_B = 161,22 gilt:

h_R/h_F = 1,226 (1)

f/f_F = -0,303 (2)

Beispiel 2

1 : 2,0; ω = 42,1°; f = 100,00; f_B = 149,55

Die asphärischen Koeffizienten der 14. Linsenfläche sind:

k = 0,0
A₄ = -8,22 × 10^-7
A₆ = 0,0
A₈ = 0,0
A₁₀ = 0,0

Bei dem Abbildungsmaßstab von
1/10, d₆ = 5,01; f_B = 160,76 gilt:

h_R/h_F = 1,221 (1)

f/f_F = -0,286 (2)

Beispiel 3

1 : 2,1; ω = 42,1°; f = 100,00; f_B = 149,59

Die asphärischen Koeffizienten der 14. Linsenfläche sind:

k = 0,0
A₄ = -7,897 × 10^-7
A₆ = -5,151 × 10^-11
A₈ = 1,817 × 10^-14
A₁₀ = 0,0

Bei dem Abbildungsmaßstab von
1/10, d₆ = 4,99; f_B = 160,95 gilt:

h_R/h_F = 1,219 (1)

f/f_F = -3,02 (2)

Beispiel 4

1 : 2,0; ω = 42,1°; f = 100,00; f_B = 153,12

Die asphärischen Koeffizienten der 14. Linsenfläche sind:

k = 0,0
A₄ = -7,869 × 10^-7
A₆ = -5,331 × 10^-11
A₈ = 1,765 × 10^-14
A₁₀ = 0,0

Bei dem Abbildungsmaßstab von
1/10, d₆ = 4,95; f_B = 164,04 gilt:

h_R/h_F = 1,200 (1)

f/f_F = -0,250 (2)

Beispiel 5

1 : 2,0; ω = 42,2°; f = 100,00; f_B = 149,86

Die asphärischen Koeffizienten der 14. Linsenfläche sind:

k = 0,0
A₄ = -8,65 × 10^-7
A₆ = 0,0
A₈ = 0,0
A₁₀ = 0,0

Bei dem Abbildungsmaßstab von
1/10, d₆ = 1,10; f_B = 159,06 gilt:

h_R/h_F = 1,231 (1)

f/f_F = -0,327 (2)

Claims

1. Weitwinkelobjektiv vom Typ umgekehrter Teleobjektive, umfassend, von der Objektseite gesehen,

(a) eine negative, vordere Linsengruppe mit einer ersten, objektseitig konvexen positiven Linse, einer zweiten, objektseitig konvexen negativen Meniskuslinse sowie einer dritten, bikonvexen Linse und
(b) eine positive, hintere Linsengruppe,
(c) wobei zum Fokussieren des Objektivsystems nur die hintere Linsengruppe verstellt wird und
(d) wobei das Objektivsystem folgende Bedingungen erfüllt:
- 1,1<h_R/h_F<1,3 und (1)
- -0,35<f/f_F<0,0 (2)

worin bedeuten: h_F = Durchtrittshöhe des Öffnungsstrahles an der ersten Fläche der vorderen Linsengruppe,
h_R = Durchtrittshöhe des Öffnungsstrahles an der ersten Fläche der hinteren Linsengruppe,
f = Brennweite des Objektivs und
f_F = Brennweite der vorderen Linsengruppe.

2. Weitwinkelobjektivsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die positive hintere Linsengruppe eine Aperturblende aufweist und eine in deren Nähe angeordnete Linsenfläche asphärisch ist, wobei deren Betrag der Brechkraft von der optischen Achse nach außen zunimmt und die asphärische Fläche folgende Bedingung erfüllt: worin bedeuten:ΔX Betrag der Abweichung der asphärischen Fläche von der sphärischen Fläche in Richtung der optischen Achse,
ΔX_H Betrag der Abweichung am Rand der wirksamen Öffnung der Aperturblende und
ΔX_H/2 Betrag der Abweichung in der halben Höhe der wirksamen Öffnung der Aperturblende.