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Objektive mit veränderlicher Brennweite für Kameras Die Erfindung
bezieht sich auf Objektive mit veränderlicher Brennweite für die Verwendung in Verbindung
mit kinematographischen Kameras.
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Es ist gebräuchlich, in der kinematographischen Industrie Fahraufnahmeeffekte
durch einen einfachen Kunstgriff hervorzurufen, nämlich dadurch, daß man die Kamera
auf das Objekt hin und davon weg bewegt. Um die Notwendigkeit für eine solche Bewegung
der Kamera zu beseitigen, wurden Linsen mit veränderlicher Brennweite erfunden.
Diese Linsen weisen verschiedene Brennweiten auf, um die Kamera dem Unterschied
und den Veränderungen anzupassen, die für den Fahraufnahmeeffekt erforderlich sind.
Diese Linsen mit veränderlicher Brennweite sind sehr unbefriedigend sowohl im Hinblick
auf ihre Herstellung wie auf ihre Anwendung. Der Hauptnachteil dieser Linsen mit
veränderlicher Brennweite liegt in der Tatsache, daß es in Wirklichkeit unmöglich
ist, ein genau eingestelltes Bild über den ganzen Brennweitenbereich zu erhalten.
Die Bemessung der Abstände der verschiedenen Komponenten dieser Linsen mit veränderlicher
Brennweite ist so kritisch, daß schon eine geringfügige Abweichung das Bild vollständig
aus der Filmebene herauswirft. Der normale Verschleiß in den sich bewegenden Teilen
genügt, um das System aus der Filmebene herauszuwerfen.
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Mit der vorliegenden Konstruktion kann ein genau eingestelltes Bild
über den gesamten Brennweitenbereich erhalten werden. Ein Hauptziel der vorliegenden
Erfindung ist daher die Schaffung einer Linse mit veränderlicher Brennweite, die
über den gesamten
Brennweitenbereich selbst fokussierend ist. Die
Erfindung bezweckt ferner die Schaffung einer Linse mit veränderlicher Brennweite,
die an jede gebräuchliche Kinokamera anpaßbar ist.
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Gegenstand der Erfindung ist eine Linsenoptik für kinematographische
oder Fernsehkameras, welche hintereinander angeordnet die folgenden Linsen enthält:
Frontlinse, Variatorlinse, Umkehrlinse, Kompensatorlinse und eine im folgenden als
Relaislinse bezeichnete weitere Umkehrlinse, wobei die Front-, die Umkehr- und die
Relaislinse mit festem Abstand zueinander als eine Linsengruppe und die Variator-
und die Kompensatorlinse mit festem Abstand zueinander als eine zweite Linsengruppe
vorgesehen und die beiden Linsengruppen relativ zueinander beweglich sind.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Linse mit
veränderlicher Brennweite, in der es nur einen beweglichen Teil gibt, mit Ausnahme
der Steuerglieder. Die normale Abnutzung des beweglichen Teiles mit Bezug auf den
stationären Teil kann nur eine geringe Änderung des Brennweitenbereichs hervorrufen,
keineswegs jedoch die Qualität des Bildes beeinträchtigen.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen
an einem vorzugsweisen Ausführungsbeispiel näher erläutert.
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Fig. i ist ein Längsschnitt durch die Gesamtvorrichtung bei vorgeschobener
Stellung des beweglichen Linsensystems; Fig.2 ist eine schematische Ansicht bei
zurückgezogener Stellung des beweglichen Linsensystems; Fig. 3 zeigt den Steuermechanismus,
durch den das bewegliche Linsensystem aus einer Stellung in die andere bewegt wird;
Fig. 4 ist eine schematische Ansicht bei vorgeschobener Stellung des beweglichen
Linsensystems; diese Darstellung ist vom Standpunkt der Optik aus nicht exakt, sie
soll nur die Bewegung des beweglichen Linsensystems gegenüber dem stationären Linsensystem
veranschaulichen; Fig. 5 zeigt in ähnlicher Darstellung wie Fig. 4 das bewegliche
Linsensystem in einer mittleren Stellung, Fig.6 in zurückgezogener Stellung.
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Unter Bezug nur auf die Fig. i und 2 ist ersichtlich, daß die vorliegend
beanspruchte Vorrichtung mit einem äußeren stationären Rohr io ausgerüstet ist,
in welchem ein mittleres Rohr ii gleitbax montiert und ein inneres festes Rohr 12
innerhalb des mittleren gleitfähigen Rohres ii angebracht sind. Das äußere und <las
innere Rohr tragen das feste Linsensystem; das mittlere Rohr beherbergt das bewegliche
Linsensystem.
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In der Wand des äußeren Rohres io ist eine Öffnung 13 vorgesehen.
Eine Stange 14 ist mit dem mittleren Rohr ii verbunden und erstreckt sich, wie ersichtlich,
durch das Fenster 13. Ein Steuerhebel oder Handgriff 16 ist an dem äußeren Rohr
io bei 17 angebracht und mit der Stange 14 mittels einer Gelenkkonstruktion 18 verbunden,
wie in Fig. 3 veranschaulicht. Wenn der Handgriff 16 abwärts in Richtung des gebogenen
Pfeils in Fig. 3 bewegt wird, bewegt sich die Stange 14 und damit das mittlere gleitfähige
Rohr ii rückwärts in Richtung des in Fig. 3 eingezeichneten horizontalen Pfeils.
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Wird der Handgriff 16 in entgegengesetzter Richtung bewegt, so bewegen
sich natürlich die Stange und das mittlere Rohr nach vorne. Mittels dieser Konstruktion
wird das bewegliche Linsensystem veranlaßt, eine Bewegung relativ zu dem stationären
Linsensystem auszuführen, wie auch noch weiter unten beschrieben wird.
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Aus Fig. i und 2 ist weiter ersichtlich, daß eine übliche Muffe oder
Linsenhalter 2o teleskopartig auf dem äußeren Rohr io am vorderen Ende desselben
angebracht ist. Diese Muffe trägt den als Frontlinsenaggregat 21 bezeichneten Teil
des festen Linsensystems. Am rückwärtigen Ende des Außenrohres io ist ein anderer
Linsenhalter 22, welcher den als Endlinsenaggregat 23 bezeichneten Relaisteil des
feststehenden oder stationären Linsensystems trägt.
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Das innere Rohr 12 enthält auch Elemente des festen oder stationären
Linsensystems. Dieses innere Rohr ist gegen Bewegung relativ zum äußeren Rohr durch
einen Zapfen 25 festgehalten, der das äußere und das innere Rohr durch ein Fenster
26 in dem mittleren Rohr ii verbindet. Das Linsensystem 30 in dem genannten
feststehenden Innenrohr 12 kann als Umkehraggregat bezeichnet werden. Das Frontlinsenaggregat,
das Endlinsenaggregat und das mittlere Umkehraggregat bilden das stationäre Linsensystem
der Vorrichtung.
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Am Frontende des beweglichen mittleren Rohres ii befindet sich das
Variatorlinsenaggregat 32 und am rückwärtigen Ende des mittleren Rohres das Kompensatorlinsenaggregat
33. Zwischen dem Variator-und dem Kompensatoraggregat ist das Aufrichtaggregat angeordnet.
Es gibt keine Realtivbewegung zwischen Variator- und Kompensatoraggregat. Diese
zwei Aggregate bewegen sich als eine unteilbare Einheit gemeinsam mit dem mittleren
Rohr ii.
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Ein Linsensystem gemäß der vorliegenden Erfindung kann beispielsweise
folgende Linsen enthalten Ein Frontlinsenaggregat von + 123/4 Dioptrien; ein Variatorlinsenaggregat
mit zwei Linsen, von denen jede zwei Komponenten enthält, um Aberrationen zu vermeiden.
jede der genannten Variatorlinsen hat -+- 36'/4 Dioptrien, und diese Linsen sind
223/4 mm voneinander entfernt, ferner ein Umkehrlinsenaggregat mit einer Brechkraft
von -f- 321!4 Dioptrien und mit vier aplanatischen Doppellinsen zur Korrektur der
Aberration, eine Kompensatorlinse mit einer Brechkraft von -+ 14 Dioptrien und ein
Endlinsenaggregat mit zwei Anastigmaten, je mit einer Vergrößerung von + 231/2 Dioptrien.
Mit Rücksicht darauf, daß die Variator- und Kompensatoraggregate mit Bezug auf die
Frontlinsen-, Umkehr- und Endaggregate beweglich sind, umfaßt das Instrument, wenn
der Gesamtweg der beweglichen Aggregate von vorgeschobener zu rückwärtiger Stellung
24 mm beträgt, ein Brennweitenverhältnis von 1 zu 3". Die äquivalenten Brennweiten
betragen 17 bis 51 mm. Wird dieses System mit einer Frontlinse kombiniert, die nur
eine Brechkraft von 63/8 Dioptrien aufweist, so reicht der absolute Bereich der
Brennweiten von 34 bis 102 mm.
Zur Veranschaulichung der Theorie
des erfindungsgemäßen Linsensystems mit veränderlicher Brennweite sind in Fig. 4,
5 und 6 drei schematische Zeichnungen vorgesehen. Diese Zeichnungen zeigen, wie
bereits erwähnt, nicht ein arbeitsfähiges optisches System, sondern die in diesen
Figuren gezeigten Linsen veranschaulichen mir die verschiedenen oben beschriebenen
Linsenaggregate. Der in diesen Figuren gezeigte Strahlengang illustriert in einfacher
Annäherung den Strahlengang durch das optische System gemäß Fig. i und 2. Es sei
bemerkt, daß keine optische Beziehung zwischen dem Strahlengang der Fig. 4, 5 und
6 Lind den in diesen Figuren gezeichneten spezifischen Linsen besteht.
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Die Frontlinse 5o in Verbindung mit der vorderen Variatc@rlinse 51
bildet innerhalb des Variatoraggregats ein umgekehrtes reelles Bild des Objekts.
Bei der in Fig. 4 gezeigten vordersten Stellung der Variatorlinse liegt dieses umgekehrte
reelle Bild etwa innerhalb der rückwärtigen Variatorlinse 52. Dies entspricht der
kleinsten äquivalenten Brennweite des Instrumentes. Bei am weitesten zurückgezogener
Stellung des Variators entsteht (las genannte Bild zwischen dem vorderen und (lern
hinteren Element des genannten Variatoraggregats unmittelbar hinter dem vorderen
Element, wie in Fig. 6 gezeigt. Bei der in Fig. 5 gezeigten mittleren Stellung des
Variators entsteht das Bild ebenfalls zwischen dem vorderen und dem hinteren Element
des `'ariators, jedoch in der Nähe des hinteren dieser Elemente.
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Die hintere Variatorlinse in Verbindung mit der Umkehrlinse 53 und
der Kompensatorlinse 54 erzeugt ein zweites aufrechtes Bild, das reell ist, wenn
eine negative Kompensatorlinse verwendet wird, und das virtuell ist, wenn eine positive
Kompensatorlinse verwendet wird. Das Endsystem 55 dient zur Erzeugung eines dritten
umgekehrten Bildes 56 auf dem Film, wie strichpunktiert angegeben.
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Das stationäre Frontelement dient dazu, die Kamera auf Objekte näher
als unendlich einzustellen. Der Variator verändert die äquivalente Brennweite des
Liirseirs@#stems. Brechkraftvermögen (power) und Abstand der Variatorkomponenten
bestimmen den Bereich der Linsen, das heißt das Verhältnis zwischen maximalen und
minimalen Brennweiten. Je schwächer diese Linsen und je weiter sie voneinander entfernt
sind, um so kleiner wird dieser Bereich. In Frontstellung kombinieren die stationäre
Frontlinse 5o und die vordere Variatorlinse 51 ihr Brechkraftvermögen, während die
rückwärtige Variatorlinse 52 als eine Feldlinse wirkt. Wenn der Variator rückwärts
bewegt wird, nimmt die Gesamtbrechkraft der stationären Frontlinse und der vorderen
Variatorlinse 51 ab, während die rückwärtige Variatorlinse 52 ihre Vergrößerungskraft
mit der Umkehrlinse kombiniert. Wenn der Variator bewegt wird, verändert das zweite
aufrechte reelle Bild, das, wie beschrieben, durch das Umkehrsystem erzeugt wird,
seine Größe. Es verändert auch seine Stellung in Richtung der Variatorbewegung,
doch ist die Bewegung des zweiten Bildes geringer als die Bewegung des Variators.
Um diese Bewegung mit Bezug auf den Film auszugleichen, ist es notwendig, die Kompensatorlirrse
54 einzufügen, welche, wie bereits beschrieben wurde, mit dem Variator verbunden
ist und sich mit ihm bewegt.
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Die Kompensatorlinse hat die folgende Charakteristika: Wenn m die
Bewegung des Linsenrohres und t der Weg des reellen Bildes, das von der Aufrichtlinse
gebildet wird, f die Brennweite der Kompensatorlinse und L der Abstand des reellen
Bildes von der Kompensatorlinse in vorgeschobener Stellung des Variators und L'
die Entfernung des Bildes bedeutet, das von diesem reellen Bild durch die Kompensatorlinse
erzeugt wird, dann muß die Gleichung
für jede Stellung des beweglichen Linsenrohres erfüllt sein. Mit anderen Worten,
die Brennweite der Kompensatorlinse und ihre Anordnung in dem optischen System sind
so zu wählen, daß, wenn der Objektabstand der Linse um einen Betrag m-t geändert
wird, der Bildabstand sich um den Betrag m ändert. Weiterhin muß ein Anwachsen des
Objektabstandes einem Anwachsen des Bildabstandes entsprechen oder umgekehrt. Aus
dem Vorhergehenden folgt, daß entweder Objekt oder Bild virtuell sein müssen, da,
wenn beide reell sind, der Bildabstand abnimmt, wenn der Objektabstand zunimmt und
umgekehrt.
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Aus der Tatsache, daß der Bildweg immer kleiner ist als die Rohrbewegung,
folgt, daß, wenn eine negative Kompensatorlinse verwendet wird, sie zwischen der
Umkehrlinse und dem durch diese entworfenen reellen Bild anzuordnen ist, während
im Fall einer positiven Kompensatorlinse diese hinter dem reellen Bild angeordnet
sein muß.
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Es ist unmöglich, Werte für L, L' und f zu finden, bei
denen die oben erwähnte Gleichung für jede Position des Rohres gilt. Aber bei richtiger
Auswahl dieser Werte kann diese Bedingung für drei Punkte genau erfüllt werden,
während die Abweichung für die anderen Punkte so klein ist, daß sie innerhalb der
annehmbaren optischen Toleranzen fällt.
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Sogar mit der Kompensatorlinse 54 kann das System nicht als Kinokameralinse
verwendet werden, da das durch die Umkehrlinse erzeugte Bild aufrecht und im Falle
einer positiven Kompensatorlinse virtuell ist. Es ist daher nötig, die Endlinse
55 anzufügen, die auf dem Film 56 ein reelles umgekehrtes Bild von dem durch die
Kompensatorlinse erzeugten Bild entwirft. Dieses Relaissystem, das für sich keine
Vergrößerung erzeugt, enthält auch die Aperturblende des Systems. Somit wird die
Austrittspupille und damit die Lichtmenge, die den Film erreicht, unabhängig von
der Bewegung des Variatorrohres, konstant gehalten.
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Obgleich jedes für eine Abbildung eins zu eins voll korrigierte gute
Reproduktionsobjektiv mit relativ kurzer Brennweite als Relaissystem verwendet werden
kann, wird ein symmetrisches Linsenaggregat mit einer geraden Anzahl von Komponenten
vorgezogen, da dieses denVorteilparallelen Strahlenganges zwischen den beiden mittleren
Elementen ergibt. Wenn nur ein halbes Relaissystem mit einer äquivalenten Brennweite
gleich der Brennweite eines Standard Kino-Objektivs verwendet wird, wird die Linse
mit veränderlicher
Brennweite zu einem afokalen System, beide Brennpunkte
liegen im Unendlichen. Solch ein System kann vor irgendeine Standard-Kameralinse
gesetzt werden und wandelt diese in eine Linse mit veränderlicher Brennweite um.
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Durch Anwendung wohlbekannter optischer Gesetze, besonders des Theorems
von Lagrange und der Gesetze von Newton, Gauss und Abbe ergibt sich, daß der Bereich
und die Bildbewegung nur durch den Winkel bestimmt werden, unter welchem in das
optische System eintretende parallele Lichtstrahlen beim Erzeugen der Bilder konvergieren
oder divergieren. Die äquivalente Brennweite eines optischen Instruments ergibt
sich als Quotient des Durchmessers eines Bündels paralleler Lichtstrahlen mit der
optischen Achse als Zentralstrahl, geteilt durch den im Bogenmaß des Einheitskreises
(radians) ausgedrückten Endwinkel der Konvergenz, der letztere paraxial berechnet.
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Wenn die stationäre Frontlinse des vorliegenden Systems gegen eine
Linse mit anderer Brennweite ausgetauscht wird, die so angeordnet wird, daß ihr
Brennpunkt mit dem Brennpunkt der vorher verwendeten Linse zusammenfällt, so bleibt
der Konvergenzwinkel derselbe. Der Durchmesser des axialen Strahlenbündels ändert
sich in @ direkter Proportion zur Brennweite der stationären Frontlinse geometrische
Beziehungen ähnlicher gleichschenkliger Dreiecke. Es folgt daraus, daß die absolute
Brennweite eines optischen Systems direkt proportional der Änderung der Brennweite
der stationären Frontlinse ist, der Zähler des Quotienten wird geändert, während
der Nenner konstant bleibt. Wenn also die Frontlinse eines Variatorsystems einen
Bereich von 17 bis 51: mm umfaßt und diese ausgetauscht wird gegen eine andere Linse
mit halber Brechkraft, so liegt der von dem System umfaßte Bereich zwischen 34 und
102 mm. Die Daten für ein Ausführungsbeispiel eines Linsensystems gemäß der vorliegenden
Erfindung wurden bereits gegeben. Es sei betont, daß diese Daten nur als Beispiel,
nicht als Begrenzung gegeben sind. Es sei auch betont, daß die spezifische Konstruktion
der Linsen mit den oben erwähnten Gliedern nur als Illustration, nicht als Begrenzung
gegeben wurde. Erforderlich ist nur, daß, relativ zur Frontlinse, zum Umkehr- und
zum Endlinsenaggregat, die selbst als eine Einheit fest angeordnet sind, der Variator
und der Kompensator sich als Einheit bewegen. Als Mittel zum Verschieben der beweglichen
Linsenaggregate gegenüber den festen Linsenaggregaten wurde ein Hebel dargestellt
und beschrieben. Es sei betont, daß dieser Hebel und die zugehörige Gelenkkonstruktion
nur eine vorzugsweise Form der Vorrichtung zur Auslösung der Bewegung der beweglichen
Linsenaggregate darstellen, an deren Stelle auch andere bekannte Mechanismen verwendet
werden können.