DE4042554C2

DE4042554C2 - Varioobjektiv

Info

Publication number: DE4042554C2
Application number: DE4042554A
Authority: DE
Inventors: Takayuki Ito
Original assignee: Asahi Kogaku Kogyo Co Ltd
Current assignee: Pentax Corp
Priority date: 1989-09-29
Filing date: 1990-09-28
Publication date: 1996-12-19
Anticipated expiration: 2010-09-29

Description

Die Erfindung betrifft ein Varioobjektiv mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.

Ein Varioobjektiv dieser Art ist aus der Offenlegungsschrift JP 64-57 222 bekannt.

Aus der Offenlegungsschrift DE 39 02 495 A1 ist ein im Prinzip ähnliches Varioobjektiv bekannt, in dem eine frontseitige erste Linse, die durch eine Meniskuslinse dargestellt ist, als Kunststofflinse geringer Brechkraft ausgebildet sein kann.

Aus der Offenlegungsschrift DE 31 40 647 A1 ist ein Weitwinkelvarioobjektiv mit zwei Linsengruppen bekannt, deren Luftabstand zur Brennweiteneinstellung des Objektivs änderbar ist und bei dem in der ersten Linsengruppe eine Kunststofflinse zwischen Glaslinsen angeordnet ist. Da jedoch diese Kunststofflinse eine schwache Brechkraft aufweist, ist die bei Änderungen der Luftfeuchtigkeit sich ergebende Änderung der Schnittweite und damit der Abbildungsleistung des Objektivs verhältnismäßig gering.

Ferner ist aus der Offenlegungsschrift DE 30 26 170 A1 eine Projektionsvorrichtung mit einem rasterartig ausgebildeten optischen Abbildungssystem bekannt, bei welchem jeweils aus zwei Kunststofflinsen bestehende optische Rasterelemente zum Schutz gegen Auswirkungen der Umgebungsfeuchtigkeit zwischen transparenten Platten in einer Fassung eingeschlossen sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Varioobjektiv der eingangs genannten Art zu schaffen, das bei Verwendung einer Kunststofflinse eine vergleichsweise gute Korrektur der vor allem von der Öffnung abhängigen Bildfehler erlaubt und bei dem die bei Änderungen der Feuchtigkeit der Umgebungsluft auftretenden Änderungen der Objektivschnittweite weitgehend vermieden sind.

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

Durch die Anordnung einer Kunststofflinse der ersten Linsengruppe zwischen Glaslinsen und durch das Einschließen dieser Kunststofflinse zwischen den Glaslinsen im Objektivtubus wird schädlicher Einfluß von Änderungen der Feuchtigkeit der Umgebung auf die Abbildungsleistung weitgehend vermieden.

Das erfindungsgemäße Varioobjektiv kann eine verhältnismäßig kompakte Bauweise aufweisen, so daß es vor allem für Kompaktkameras geeignet ist, und vergleichsweise kostengünstig hergestellt werden.

Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Vorzugsweise kann die erste Linsengruppe eine Kunststofflinse mit negativer Brechkraft und die zweite Linsengruppe eine Kunststofflinse mit positiver Brechkraft aufweisen. Durch die Ausbildung der Kunststofflinsen als negative und positive Linsen wird eine Verminderung der Brechkraft erleichtert.

Andererseits führt eine Verminderung der Brechkraft der Kunststofflinsen zu einer Verringerung nachteiliger Einflüsse von Formungsfehlern und Abhängigkeit von Faktoren der Umgebung auf die Abbildungsleistung.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Objektivs werden im folgenden an Hand der Zeichnung näher beschrieben.

In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1, 3 und 5 Schnittbilder von Beispielen 1, 2 und 3 eines erfindungsgemäßen Varioobjektivs in der Einstellung auf minimale Brennweite und

Fig. 2, 4 und 6 Aberrationskurven der Varioobjektive gemäß Fig. 1, 3 und 5
(a) bei Einstellung auf minimale Brennweite,
(b) bei Einstellung auf eine mittlere Brennweite und
(c) bei Einstellung auf maximale Brennweite.

Die gezeigten Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Varioobjektivs besitzen, jeweils von der Objektivseite her gesehen, jeweils eine positive erste und eine negative zweite Linsengruppe, deren gegenseitiger Abstand zur Brennweitenänderung verändert werden kann. Die erste Linsengruppe umfaßt eine erste Untergruppe geringer Brechkraft und eine zweite Untergruppe großer positiver Brechkraft. Die erste Untergruppe besteht aus einer positiven ersten Linse und einer zweiten, negativen Linse und besitzt zumindest eine asphärische Linsenfläche, die eine Asphärizität gemäß der nachfolgenden Bedingung (5) aufweist. Die zweite Untergruppe weist eine verkittete Linsenfläche auf, die zur Bildseite hin konkav ist.

Bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen besteht die negative zweite Linse der ersten Linsengruppe aus Kunststoffmaterial und ist zwischen Glaslinsen angeordnet.

Die erste, positive Linse der zweiten Linsengruppe besteht ebenfalls aus Kunststoffmaterial.

Die beschriebenen Beispiele des erfindungsgemäßen Varioobjektivs erfüllen folgende Bedingungen:

N_1a-1 < 1.65 (1)

N_1a-2 < 1.65 (2)

-50 < ΔI_1a < -5 (5)

Die zweite Linse der ersten Untergruppe besteht aus Kunststoffmaterial und erfüllt folgende Bedingung:

(m_1b · m_2L - m_1a-2 · m_1b · m_2L)² < 0.6 (6)

Die zweite Linsengruppe umfaßt eine positive Meniskuslinse mit einer bildseitig konvexen Linsenfläche und eine negative Meniskuslinse mit einer objektseitig konkaven Linsenfläche. Weiterhin werden folgende Bedingungen erfüllt:

N_2-1 < 1.65 (7)

Es wird folgende weitere Bedingung erfüllt:

(m_2-2L - m_2L)² < 0.5 (9)

Die zweite Linse der zweiten Linsengruppe erfüllt außerdem die folgende Bedingung:

N_2-2 < 1.65 (10)

In den vorgenannten Bedingungen (1) bis (10) bedeuten:
f₁ = Brennweite der ersten Linsengruppe,
f_1a = Brennweite der ersten Untergruppe der ersten Linsengruppe,
f_1b = Brennweite der zweiten Untergruppe der ersten Linsengruppe,
f₂ = Brennweite der zweiten Linsengruppe,
f_2-1 = Brennweite der ersten Linse der zweiten Linsengruppe,
N_1a-1 = Brechzahl der ersten Linse der ersten Untergruppe der ersten Linsengruppe für die d-Linie,
N_1a-2 = Brechzahl der zweiten Linse der ersten Untergruppe der ersten Linsengruppe für die d-Linie,
N_2-1 = Brechzahl der ersten Linse der zweiten Linsengruppe für die d-Linie,
N_2-2 = Brechzahl der zweiten Linse der zweiten Linsengruppe für die d-Linie,
ΔI_1a = Asphärenbeitrag der asphärischen Linsenfläche in der ersten Untergruppe der ersten Linsengruppe zur sphärischen Aberration dritter Ordnung bei Normierung der minimalen Brennweite des Varioobjektivs auf den Wert 1,
m_1a-2 = laterale Vergrößerung der zweiten Linse der ersten Untergruppe der ersten Linsengruppe,
m_1b = laterale Vergrößerung der zweiten Untergruppe der ersten Linsengruppe,
m_2L = laterale Vergrößerung der zweiten Linsengruppe bei Einstellung des Objektivs auf maximale Brennweite und
m_2-2L: = laterale Vergrößerung der zweiten Linse der zweiten Linsengruppe bei Einstellung des Objektivs auf maximale Brennweite.

Das beschriebene Varioobjektiv besitzt eine vergleichsweise große bildseitige Schnittweite im Hinblick auf seinen Einsatz in einer Kompaktkamera. Die Gesamtlänge dieses Objektivs ist vergleichsweise gering und dennoch kann eine Kompensation der Aberration erreicht werden durch den Einsatz preiswerten Glases und einer asphärischen Linsenfläche.

Die Bedingungen (1) und (2) beziehen sich auf die optischen Materialien, aus denen die positive erste Linse und die negative zweite Linse in der ersten Untergruppe hergestellt sind. Falls eine dieser Bedingungen nicht erfüllt wird, steigert dies die Kosten für die Linsenherstellung.

Bedingungen (3) und (4) betreffen die Brechkraftverteilung zwischen den Untergruppen 1a und 1b in der ersten Linsengruppe. Die Bedingungen erfordern, daß die erste Untergruppe eine kleinere Brechkraft aufweist, wobei die Brechkraft der ersten Linsengruppe überwiegend durch die zweite Untergruppe bewirkt wird.

Falls Bedingung (3) nicht erfüllt wird, fördert dies zwar die Kompaktkeit des Objektivs, aber andererseits treten Defokussierung oder Störungen der Abbildungsleistung des Objektivs in Abhängigkeit von Änderungen der Temperatur vermehrt auf infolge der Verwendung von Kunststoff in der ersten Untergruppe, wie im folgenden beschrieben wird.

Bedingung (4) steht in Beziehung zu Bedingung (3). Falls die obere Grenze überschritten wird, steigt die sammelnde Brechkraft der zweiten Untergruppe derart an, daß es nicht nur schwierig wird, die asphärische Aberration und die chromatischen Aberrationen in der Teleeinstellung des Objektivs zu kompensieren, sondern es steigt auch die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Aberrationen höherer Ordnung an. Falls andererseits die untere Grenze der Bedingung (4) unterschritten wird, ist das Ergebnis zwar im Hinblick auf eine effektive Kompensation der Aberrationen günstig, aber nicht im Hinblick auf einen kompakten Aufbau.

Bedingung (5) betrifft die asphärische Linsenfläche der ersten Untergruppe. Wie bereits erwähnt, besitzt sie nur eine geringe Brechkraft, jedoch ist es durch Verwendung einer asphärischen Linsenfläche mit negativem Asphärenbeitrag zur sphärischen Aberration dritter Ordnung nicht nur möglich, eine effektive Kompensation der sphärischen Aberration innerhalb der ersten Linsengruppe durchzuführen, sondern es kann auch die Größe der Änderung der sphärischen Aberration, die während der Brennweitenänderung auftritt, reduziert werden, selbst wenn die Brechkraft der ersten Untergruppe oder ihre Größe reduziert ist. Der negative Asphärenbeitrag bedeutet, daß der Krümmungsradius kleiner wird, wenn der Durchmesser der konkaven Linsenfläche zunimmt, wohingegen er zunimmt, wenn der Durchmesser der konvexen Linsenfläche zunimmt. Falls die obere Grenze der Bedingung (5) überschritten wird, ist die asphärische Linsenfläche nicht ausreichend wirksam, um eine zufriedenstellende Kompensation der Aberration zu erzielen. Falls die untere Grenze der Bedingung (5) unterschritten wird, führt die Überkompensation zu Aberration höherer Ordnung.

Hierzu werden zusätzliche Bemerkungen zur Größe der Änderungen der Koeffizienten der Aberrationen dritter Ordnung angeführt, die durch eine asphärische Linsenfläche bewirkt wird. Eine asphärische Linsenfläche wird normalerweise durch folgende Gleichung beschrieben:

Für den Fall, daß die Brennweite f 1,0 beträgt oder falls

und A₁₀ = f⁹α₁₀ in der Gleichung ersetzt werden, ist das Ergebnis:

Der zweite und die folgende Terme dieser Gleichung geben den Betrag der asphärischen Linsenfläche an und der Koeffizient A₄ im zweiten Term hat folgende Beziehung zum Koeffizienten der Asphäriszität Φ dritter Ordnung:

Φ = 8(N′ - N)A₄

wobei N die Brechzahl vor der asphärischen Linsenfläche und N′ die Brechzahl nach dieser Linsenfläche ist.

Der Koeffizient der Asphärizität dritter Ordnung führt entsprechend der Theorie der Aberration zu folgender Änderung der Koeffizienten der Aberration dritter Ordnung:

ΔI = h⁴Φ,
ΔII = h³Φ,
ΔIII = h²²Φ,
ΔIV = h²²Φ,
ΔV = h³Φ.

Dabei bedeuten:
I = Koeffizient der sphärischen Aberration,
II = Koeffizient des Asymmetriefehlers,
III = Koeffizient des Astigmatismus,
IV = Koeffizient der Bildfeldwölbung,
V = Koeffizient der Verzeichnung,
= Durchstoßhöhe eines Hauptstrahls an der jeweiligen Linsenfläche und
h = Durchstoßhöhe eines Öffnungsstrahls an der jeweiligen Linsenfläche

Ergänzende Hinweise sind ebenfalls erforderlich zum Betrag der Defokussierung bei Kunststofflinsen, die auftreten kann in Abhängigkeit von Veränderungen der Temperatur oder der Feuchtigkeit. Kunststoff zeigt temperatur- oder feuchtigkeitsabhängige Änderungen des linearen Ausdehnungskoeffizienten oder der Brechzahl, die zumindest 10mal größer sind als bei normalen Glasmaterialien. Wenn die Größe der Änderung der Brennweite einer Kunststofflinse mit Δf bezeichnet wird, kann die Größe der Defokussierung Δp ausgedrückt werden durch:

Δp = Δf(m′ - m)²

wobei m′ die laterale Vergrößerung der Linsengruppe ist, ausschließlich der und folgend der Kunststofflinse, und m die laterale Vergrößerung der Kombination der Kunststofflinse und der darauf folgenden Linsengruppe.

Demnach wird in Fällen, bei denen die sammelnde erste Linse in der ersten Untergruppe aus einem Kunststoffmaterial hergestellt ist, m′ = m_1a-2 × m_1b × m_2L und m = 0 und die Größe der Defokussierung in Abhängigkeit von Änderungen der Temperatur oder Feuchtigkeit wird in bestimmten Fällen unerwünscht groß.

Besteht die streuende zweite Linse in der ersten Untergruppe aus Kunststoff, so wird m′ = m_1b × m_2L und m = m_1a-2 × m_1b × m_2L und die Größe der Defokussierung in Abhängigkeit von Änderungen der Temperatur oder der Feuchtigkeit wird unerwünscht groß, falls Bedingung (6) nicht eingehalten wird.

Für den Fall, daß sowohl die sammelnde als auch die streuende Linse in Untergruppe 1a aus Kunststoff besteht, haben die Beträge der Defokussierung der beiden Linsen unterschiedliche Vorzeichen und heben sich gegenseitig auf. In diesem Fall ist m′ = m_1b × m_2L und m = 0 und die Größe der Defokussierung in Abhängigkeit von Änderungen der Temperatur oder der Feuchtigkeit wird in bestimmten Fällen unerwünscht groß. Falls die erste Linse in der ersten Untergruppe aus Kunststoff besteht, wird sie vorzugsweise mit einer Beschichtung oder einem Filter vor Oberflächenfehlern oder anderen Effekten geschützt, die die äußere Erscheinung der Linse beeinflussen.

Die vorangegangene Beschreibung betrifft die erste Linsengruppe, aber es wird darauf hingewiesen, daß die Linsen in der zweiten Gruppe auch aus Glas oder Kunststoff hergestellt sein können, die niedrige Brechzahlen aufweisen. Die Bedingungen (7) und (8) betreffen die sammelnde Meniskuslinse 2-1, auf der Gegenstandsseite der zweiten Linsengruppe. Falls Bedingung (7) nicht erreicht wird, kann ein preiswertes Varioobjektiv nicht realisiert werden. Falls die obere Grenze der Bedingung (8) nicht eingehalten wird, wird die Brechkraft der ersten Linse der zweiten Linsengruppe groß, daß, falls sie, wie gerade zuvor beschrieben worden ist, aus einem Kunststoff hergestellt ist, die Größe der Defokussierung oder Verringerung der Abbildungs leistung in Abhängigkeit von Änderungen der Temperatur oder der Feuchtigkeit unerwünscht groß wird.

Falls die untere Grenze der Bedingung (8) nicht eingehalten wird, wird die sammelnde Brechkraft dieser Linse derart klein, daß Schwierigkeiten bei der Kompensation der chromatischen Aberration eingebracht werden, die in der zweiten Linsengruppe auftreten können.

Falls Bedingung (9) nicht eingehalten wird, wird der Betrag der Defokussierung in Abhängigkeit von Veränderungen der Temperatur oder der Feuchtigkeit unerwünscht groß.

Mit dem Ziel einer Realisierung eines preiswerten Varioobjektivs kann die letzte Linse auf der Bildseite der zweiten Linsengruppe ebenfalls aus einem Glasmaterial mit niedriger Brechzahl hergestellt werden, das Bedingung (10) erfüllt.

Im folgenden werden die Beispiele 1 bis 3 der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf Datenblätter beschrieben. Darin kennzeichnen f die Brennweite, ω den halben Bildfeld winkel, f_B die bildseitige Schnittweite, r den Krümmungsradius einer einzelnen Linsenfläche, d die Dicke der einzelnen Linse oder den Luftabstand zwischen zwei benachbarten Linsenflächen, N die Brechzahl einer einzelnen Linse für die d-Linie und ν die Abb´sche Zahl einer einzelnen Linse. In den folgenden Datenblättern kennzeichnen α₄, α₆ und α₈ die Asphäriszitätskoeffizienten der vierten, sechsten oder achten Ordnung.

Beispiel 1

Beispiel 2

Beispiel 3

Im folgenden werden die Werte, die für die Bedingungen (1) bis (12) zu jedem Beispiel 1 bis 3 berechnet wurden, wiedergegeben.

Beim Varioobjektiv und der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die bildseitige Schnittweite relativ zu erhöhen für die Verwendung in einer Kompaktkamera, und die Gesamtlänge des Objektivs zu reduzieren. Zusätzlich ist es möglich, preiswerte Materialien aus Glas und Kunststoff unter Sicherstellung einer hohen Abbildungsleistung zu verwenden.

Claims

1. Varioobjektiv mit, von der Objektseite her gesehen, einer positiven ersten Linsengruppe und einer negativen zweiten Linsengruppe, wobei zur Brennweitenänderung der Abstand zwischen den beiden Linsengruppen veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß in der ersten Linsengruppe eine asphärische Kunststofflinse nicht allzu schwacher Brechkraft vorgesehen ist, die zur Vermeidung von Schnittweitenänderungen des Objektivs infolge von Änderungen der Feuchtigkeit der Umgebungsluft in einer Linsenfassung zwischen zwei Glaslinsen eingeschlossen ist.

2. Varioobjektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststofflinse eine Negativlinse ist.

3. Varioobjektiv nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Linse der zweiten Linsengruppe ebenfalls eine Kunststofflinse ist.

4. Varioobjektiv nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststofflinse der ersten Linsengruppe eine Negativlinse und die Kunststofflinse der zweiten Linsengruppe eine Positivlinse ist.

5. Varioobjektiv nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Linsengruppe eine erste Untergruppe aufweist, die aus einer positiven, aus Glas bestehenden ersten Linse und einer negativen Kunststofflinse besteht, und eine positive zweite Untergruppe umfaßt, die aus einem aus zwei Glaslinsen gebildeten Kittglied besteht.