WO2022100786A1 - Objektiv fester brennweite - Google Patents

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WO2022100786A1
WO2022100786A1 PCT/DE2021/100889 DE2021100889W WO2022100786A1 WO 2022100786 A1 WO2022100786 A1 WO 2022100786A1 DE 2021100889 W DE2021100889 W DE 2021100889W WO 2022100786 A1 WO2022100786 A1 WO 2022100786A1
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WO
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lens
group
refractive power
focusing
focal length
Prior art date
Application number
PCT/DE2021/100889
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English (en)
French (fr)
Inventor
Stefan Roth
Original Assignee
Leica Camera Ag
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Publication date
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Priority to US18/035,261 priority patent/US20240012225A1/en
Priority to CN202180089400.2A priority patent/CN116724263A/zh
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B13/00—Optical objectives specially designed for the purposes specified below
    • G02B13/001—Miniaturised objectives for electronic devices, e.g. portable telephones, webcams, PDAs, small digital cameras
    • G02B13/0015—Miniaturised objectives for electronic devices, e.g. portable telephones, webcams, PDAs, small digital cameras characterised by the lens design
    • G02B13/002—Miniaturised objectives for electronic devices, e.g. portable telephones, webcams, PDAs, small digital cameras characterised by the lens design having at least one aspherical surface
    • G02B13/0045—Miniaturised objectives for electronic devices, e.g. portable telephones, webcams, PDAs, small digital cameras characterised by the lens design having at least one aspherical surface having five or more lenses
    • G—PHYSICS
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B13/00—Optical objectives specially designed for the purposes specified below
    • G02B13/18—Optical objectives specially designed for the purposes specified below with lenses having one or more non-spherical faces, e.g. for reducing geometrical aberration
    • G—PHYSICS
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B13/00—Optical objectives specially designed for the purposes specified below
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    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/42—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect
    • G02B27/4205—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect having a diffractive optical element [DOE] contributing to image formation, e.g. whereby modulation transfer function MTF or optical aberrations are relevant
    • G02B27/4211—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect having a diffractive optical element [DOE] contributing to image formation, e.g. whereby modulation transfer function MTF or optical aberrations are relevant correcting chromatic aberrations
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/42—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect
    • G02B27/4205—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect having a diffractive optical element [DOE] contributing to image formation, e.g. whereby modulation transfer function MTF or optical aberrations are relevant
    • G02B27/4216—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect having a diffractive optical element [DOE] contributing to image formation, e.g. whereby modulation transfer function MTF or optical aberrations are relevant correcting geometrical aberrations
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B9/00—Optical objectives characterised both by the number of the components and their arrangements according to their sign, i.e. + or -
    • G02B9/64—Optical objectives characterised both by the number of the components and their arrangements according to their sign, i.e. + or - having more than six components

Definitions

  • Such lenses are known in a variety of configurations and for different focal lengths.
  • the overall length of the lens is not changed by shifting the focusing group.
  • This type of focusing is therefore referred to as internal focusing, whereby the focus group can be arranged both in front of the aperture and behind the aperture in the light direction, i.e. it can be displaced relative to the aperture.
  • Imaging lenses with internal focusing and a single lens as a focus element are known from publication US Pat. No. 9,201,213 B2.
  • a fixed lens element with DOE in the front group of a lens is known from publication US 2015/002 939 A1.
  • a cemented lens element is provided for focusing. It is also known that lenses with focus elements that can be moved independently of one another require complex and therefore expensive mechanical control, in particular electromechanical control in the case of autofocus lenses. In order to ensure movement along the optical axis of the lens for both focus elements, such lenses are relatively large.
  • the aim is therefore to combine the focus elements into a single focus group, consisting of just one lens if possible.
  • such focus elements are usually made from low-dispersion glass (phosphate glass), which makes them particularly sensitive to the processing process and to environmental influences.
  • phosphate glass low-dispersion glass
  • a cemented component is therefore often required.
  • a cemented link for focusing is heavy and can only be moved slowly, which means that autofocus in particular is slow.
  • the invention was therefore based on the object of being able to better correct the chromatic longitudinal error in order to be able to minimize the progression of this aberration over the distance setting range.
  • the weight of the focus element should be greatly reduced in order to be able to achieve fast movement for autofocus applications.
  • the focusing group that can be moved to adjust the distance is made up of at least one but a maximum of two lens elements that are moved together, each with a positive or negative refractive power and optionally a unilaterally diffractive property and a unilaterally refractive property produced by a spherical or aspherical surface, with the focusing group having a positive refractive power overall and the ratio of the refractive power f D OE of the diffractive optical element to the total refractive power f' ges of the objective is at least 14.9 and at most 45.4.
  • the focusing group which can be moved for setting the distance, is arranged in a near-aperture range and is shifted from an infinity setting, i.e. the lens is focused on an infinitely distant object point, to a focusing in the close-up range against the direction of the light for focusing.
  • the focus group moves away from the rear lens group towards the front lens group.
  • the area close to the diaphragm is defined as the area that is located directly in front of or behind the diaphragm, with no or at most one further optical element being arranged between the diaphragm and the focusing element.
  • the design data for radii, lens thicknesses, lens spacing, refractive indices and Abbe numbers of the optical glasses to be used can already be obtained in this way. If the features specified in the subclaims and the description of the figures are taken into account, the design parameters can be improved step by step in a targeted manner.
  • aspheric surfaces are calculated using a conic representation of the aspherical lens with the formula described, it being assumed that the optical axis lies in the z-direction and z(h) indicates the arrow height parallel at a distance h perpendicular to the optical axis.
  • the asphere coefficients a2, a4, .... an describe the deviation of the surface from the axisymmetric square surface, which is given by r, the radius of curvature of the spherical surface and k, the conic constant.
  • the design and calculation of a diffractive element is described by the phase profile and the focal length of the diffractive surface in relation to the spectral line with the wavelength 546.0740 nm, ie the Fraunhofer line e.
  • qj dO e corresponds to the phase profile at a distance h perpendicular to the optical axis and C1, C2, C3,...Cn the phase coefficients.
  • Aconstr corresponds to the construction wavelength, which was chosen to be equal to the spectral line e in the following examples with 546.074 nm.
  • the diffraction order m is 1 in the examples.
  • the paraxial magnification ß ' is with defined, where n corresponds to the refractive index before and n' to the refractive index after the optical element.
  • u corresponds to the paraxial marginal ray before and u' to the paraxial marginal ray after the optical element.
  • DOE diffractive optical elements
  • Exemplary embodiments of the invention are shown schematically in the drawing as lens sections and are described in more detail with reference to the figures.
  • the lens surfaces marked with an * are aspherically curved in the lens sections.
  • the surfaces marked with # have a diffractive refractive power.
  • FIG. 1 to 3 The exemplary embodiments of a lens with a fixed focal length and constant overall length shown in Figures 1 to 3 consists of three optical assemblies, a front group VG, a middle group MG and a rear group HG, each with a positive total refractive power, which are arranged in front of an image position IM as seen in the direction of light.
  • a front group VG a middle group MG and a rear group HG
  • a positive total refractive power which are arranged in front of an image position IM as seen in the direction of light.
  • the focal length f VG of the front group VG is through the range
  • the focal length f MG of the middle group is in the range
  • the front group VG consists of two subgroups G1 and G2, the middle group MG consists of an optical element G3 and the rear group HG has two subgroups G4 and G5.
  • An aperture stop BL with a changeable opening diameter is arranged between the front group VG and the middle group MG.
  • the middle group MG is arranged in the vicinity of the diaphragm, that is to say no further optical element is provided between the aperture diaphragm BL and the middle group MG.
  • the center group MG consists of an optical element G3 and is mounted to be movable from the infinity position shown for focusing purposes to a near-focus area, counter to the direction of the light (i.e. in the direction of the arrow shown) in the direction of the aperture diaphragm BL.
  • the optical element G3 of the center group MG as a lens L5 with a surface of diffractive refractive power f D OE is within the limits in order to minimize the chromatic aberration over the entire distance setting range of the lens
  • the at least one convex-concave first lens L1 with negative refractive power is meniscus-shaped and arranged with its concave side toward a convex side of the at least one lens L2 with positive refractive power.
  • the subgroup G2 of the front group VG has two members L3 and L4 with an overall positive refractive power.
  • the at least one first lens L3 with negative refractive power is biconcave and arranged with its concave first side towards the lens L2 of the subgroup G2.
  • the second element of subgroup G2 has at least one lens L4 of positive refractive power.
  • the elements L3 and L4 are designed as individual lenses and combined as a doublet.
  • the refractive index n of at least one of the lenses of positive refractive power of the rear group HG is also advantageously selected to be greater than or equal to 1.85 (n>1.85) in order to further minimize the Petzval sum.
  • the first lens L1 of the front group VG is designed with aspherical surfaces on one or both sides.
  • the last lens L8 of the rear group (HG) is advantageously designed with aspherical surfaces on one or both sides in order to achieve further compensation for the monochromatic aberrations in the image field.
  • a light focusing group MG is advantageous for a high focusing speed.
  • a ratio of the volume V of the focusing group MG to the image circle diameter Bd in the Imaging plane in the third power smaller than 0.1 (V / Bd 3 ⁇ 0.1) proved to be particularly advantageous.
  • the focusing group is light and allows for quick focusing.
  • a lightweight focusing group has the advantage of low power consumption in autofocus applications and enables quiet focusing.
  • the image circle diameter Bd is also known to those skilled in the art as the image diagonal of a digital image recording sensor Bs and is described in more detail with reference to FIG.
  • a lens designed with the features described above advantageously has half an object angle w of greater than or equal to 31° (w>31°).
  • the previously described subgroups G1 to G5 consist of lenses L1 to L8, which, viewed in the light direction, have the refractive power sequence - + - + + + + - -.
  • the lens L5 of the optical element G3 of the center group MG which is arranged behind the diaphragm BL, is designed as a convex lens with an aspherical first surface and a planar second surface, viewed in the direction of light.
  • the planar second surface is particularly suitable for the simple manufacture of a diffractive structure and the aspheric first surface compensates for the monochromatic aberrations over the distance setting range.
  • the first lens L1 has a convex-concave shape with a negative refractive power and is meniscus-shaped with a spherically curved convex side and an aspherically curved concave side.
  • the data refer to the surfaces of the lens elements, numbered in ascending order in the direction of light.
  • the first surface 1 describes the air-glass transition on lens L1 and the last surface 15 describes the glass-air transition on lens 8.
  • the aperture stop BL is indicated as a flat surface 8.
  • the vertex radius r ie the radius on the optical axis, is specified for each surface.
  • the area type is given.
  • K02 designates the second surface as an aspherically curved surface and H10 designates the tenth surface as a diffractive surface.
  • dM denotes the center thickness of each lens or the distance to an adjacent surface at the vertex.
  • the value dM as the distance in the focusing position is infinite and V01 and V02 are the distances variable with focus.
  • ne designates the refractive index for the Fraunhofer line e (wavelength 546.0740 nm) and ve the Abbe number for the Fraunhofer line e. The assignment of the numbered areas to the respective
  • Lenses L1 - L8 the subgroups G1 -G5 and the groups VG, MG and HG is given in the last three columns:
  • the lens of compact design shown in FIG. 2 has a ratio of the optical overall length SO' of the lens to
  • the subgroups G1 to G5 described above consist of lenses L1 to L8, seen in the light direction
  • Refractive power sequence - + - + + + + - - have.
  • the lens L5 of the optical element G3 of the center group MG which is arranged behind the diaphragm BL, is designed as a convex lens with an aspherical first surface and a planar second surface, viewed in the direction of light.
  • the planar second surface is particularly suitable for the simple manufacture of a diffractive structure and the aspheric first surface compensates for the monochromatic aberrations over the distance setting range.
  • the first lens L1 has a convex-concave shape with a negative refractive power and is meniscus-shaped with an aspherically curved convex side and an aspherically curved concave side.
  • Mechanical design data and optical parameters for the respective lens elements are given in the following tables for the exemplary embodiment in FIG.
  • the vertex radius r i.e. the radius on the optical axis, is specified for each surface.
  • the area type is given.
  • K01 designates the first surface as an aspherically curved surface
  • H10 designates the tenth surface as a diffractive surface.
  • dM denotes the center thickness of each lens or the distance to an adjacent surface at the vertex.
  • the value dM is given as the distance in the focusing position at infinity
  • V01 and V02 are the distances that are variable with the focusing.
  • ne designates the refractive index for the Fraunhofer line e (wavelength 546.0740 nm) and ve the Abbe number for the Fraunhofer line e.
  • the lens shown in FIG. 3 has a compact design, the ratio of the optical overall length SO' of the lens to the image circle diameter Bd in the imaging plane IM being 1.73
  • the previously described subgroups G1 to G5 consist of lenses L1 to L8, which, viewed in the light direction, have the refractive power sequence - + - + + + - -.
  • the first lens L1 has a convex-concave shape with a negative refractive power and is meniscus-shaped with an aspherically curved convex side and a spherically curved concave side.
  • the data refer to the surfaces of the lens elements, numbered in ascending order in the direction of light.
  • the first surface 1 describes the air-glass transition on lens L1 and the last surface 15 describes the glass-air transition on lens 8.
  • the aperture stop BL is indicated as a flat surface 8.
  • the vertex radius r ie the radius on the optical axis, is specified for each surface.
  • the area type is given.
  • K01 designates the first surface as an aspherically curved surface and H10 designates the tenth surface as a diffractive surface.
  • dM denotes the center thickness of each lens or the distance to an adjacent surface at the vertex.
  • the value dM is given as the distance in the focusing position at infinity, and V01 and V02 are the distances that are variable with the focusing.
  • ne designates the refractive index for the Fraunhofer line e (wavelength 546.0740 nm) and ve the Abbe number for the Fraunhofer line e.
  • the focal length f VG of the front group VG is through the range
  • the focal length F M G of the middle group is in the range
  • the front group VG consists of a subgroup G1, the middle group MG of an optical element G2 and the rear group HG has two subgroups G3 and G4.
  • An aperture stop BL with a changeable opening diameter is arranged between a first lens L4 and a second lens L5 of the subgroup G3.
  • the middle group MG is arranged in the vicinity of the diaphragm, that is to say only one further optical element, namely lens L4, is provided between the aperture diaphragm BL and the middle group MG.
  • the center group MG consists of an optical element G2 and is mounted to be movable from the infinity position shown for focusing purposes to a near-focus area, counter to the direction of the light (i.e. in the direction of the arrow shown) in the direction of the front group VG.
  • the focal length F MG of the middle group MG should be selected, as already mentioned, with f MG ⁇ f tot - +1.0.
  • the optical element G2 of the center group MG is a lens L3 with an area of diffractive power f D OE within the limits
  • the simple manufacture of the diffractive structure required for the diffractive refractive power on a flat, at least only slightly curved surface is made possible.
  • the vertex radius T D OE of the diffractive surface of the lens L3 of the middle group (MG) is planar within the limits:
  • the paraxial imaging scale ⁇ ' M G of the center group MG is advantageously within the limits
  • the at least one first lens L1 with a positive refractive power can be convex-planar or biconvex.
  • a preferred embodiment of the lens L1 is convex-concave and arranged with its concave side to the convex side of the meniscus-shaped convex-concave lens L2 with negative refractive power.
  • the convex surface of the lens L1 is aspherically curved. In this way, a correction of the monochromatic aberrations in the center of the image is advantageously achieved.
  • the subgroup G4 of the rear group HG has a negative total refractive power and consists of at least one lens with a positive refractive power and a last lens with a negative refractive power, the first surface of which is arranged concavely with respect to the subgroup G3.
  • G4 consists of a biconcave lens L7, which is combined with a biconvex lens L8 to form a doublet.
  • a meniscus-shaped last lens L9 of negative refractive power is arranged with its convex surface to the image position IM.
  • the first surface of the lens L1 in the light direction has an aspherically shaped surface. This minimizes monochromatic aberrations in the center of the image.
  • a light focusing group MG is advantageous for a high focusing speed.
  • a ratio of the volume V of the focusing group MG to the image circle diameter Bd in the imaging plane to the cube of less than 0.1 (V/Bd 3 ⁇ 0.1) has proven to be particularly advantageous. This way is the
  • Focusing group lightweight and allows for quick focusing. At the same time, a lightweight focusing group has the advantage of low power consumption in autofocus applications and enables quiet focusing.
  • the image circle diameter Bd is also known to those skilled in the art as the image diagonal of a digital image recording sensor Bs and is described in more detail with reference to FIG.
  • An objective designed with the features described above advantageously has half an object angle w in the range between 21° and 26° (21° ⁇ w ⁇ 26°).
  • the data refer to the surfaces of the lens elements, numbered in ascending order in the direction of light.
  • the first surface 1 describes the air-glass transition at lens L1 and the last surface 17 the glass-air transition at lens L9.
  • the aperture stop BL is indicated as a flat surface 9.
  • the vertex radius r ie the radius on the optical axis, is specified for each surface.
  • the area type is given.
  • K01 designates the first surface as an aspherically curved surface
  • H06 designates the sixth surface as a diffractive surface.
  • dM denotes the center thickness of each lens or the distance to an adjacent surface at the vertex.
  • the value dM is given as the distance in the focusing position at infinity
  • V01 and V02 are the distances that are variable with the focusing.
  • ne designates the refractive index for the Fraunhofer line e (wavelength 546.0740 nm) and ve the Abbe number for the Fraunhofer line e.
  • An exemplary embodiment of a lens with a fixed focal length shown in FIG. 5 consists of three optical assemblies, a front group VG with a positive total refractive power and a center group MG with a positive total refractive power
  • Total refractive power and a rear group HG negative or positive total refractive power, seen in the direction of light are arranged in front of an image position IM.
  • the focal length f VG of the front group VG is defined by the range +3.4 ⁇ f'vG/f'ges +4.9, the focal length f MG of the middle group is in the range
  • the front group VG consists of a subgroup G1, the middle group MG of an optical element G2 and the rear group HG has two subgroups G3 and G4.
  • An aperture stop BL with a changeable opening diameter is arranged in front of a first lens L4 of the subgroup G3.
  • the center group MG is provided in the area close to the diaphragm in front of the aperture diaphragm BL, viewed in the direction of light.
  • the center group MG consists of an optical element G2 and is mounted to be movable from the infinity position shown for focusing purposes to a near focus area, counter to the direction of the light (ie in the direction of the arrow shown) in the direction of the front group VG.
  • the previously described subgroups G1 to G4 consist of lenses L1 to L7, which have the refractive power sequence + - + - + + - seen in the light direction.
  • the refractive power F M G of the center group MG should not be chosen too small, because otherwise the focus travel, from infinity focusing to close-up focusing, would be longer; on the other hand, the refractive power should not be chosen too large, otherwise the volume of the lens increases. Both effects have an adverse effect and would result in the lens focusing too slowly and no longer being suitable for autofocus applications.
  • the simple manufacture of the diffractive structure required for the diffractive refractive power on a flat, at least only slightly curved surface is made possible.
  • the vertex radius T D OE of the diffractive surface of the lens L3 of the central group (MG) is planar within the limits:
  • the lens L3 of the optical element G2 of the center group MG which is arranged in the vicinity of the diaphragm BL, is designed as a convex lens with an aspherical first surface and a planar second surface, viewed in the direction of light.
  • the planar second surface is particularly suitable for the simple manufacture of a diffractive structure and the aspheric first surface compensates for the monochromatic aberrations over the distance setting range.
  • the paraxial imaging scale ⁇ ' M G of the center group MG is advantageously within the limits
  • the subgroup G1 of the front group VG consists of two members L1 and L2 and has an overall positive refractive power.
  • the at least one first lens L1 with a positive refractive power can be convex-planar or biconvex.
  • a preferred embodiment of the lens L1 is convex-concave and arranged with its concave side to the convex side of the meniscus-shaped convex-concave lens L2 with negative refractive power.
  • the convex surface of the lens L1 is aspherically curved. In this way, a correction of the monochromatic aberrations in the center of the image is advantageously achieved.
  • the subgroup G3 of the rear group HG has two members L4 and L5 with at least one lens with a positive refractive power and at least one lens with a negative refractive power and with an overall positive refractive power. It advantageously consists of a biconcave lens L4 with a negative refractive power and a biconvex lens L5 with a positive refractive power.
  • the elements L4 and L5 are designed as individual lenses.
  • the subgroup G4 of the rear group HG has a negative total refractive power and consists of at least one lens with a positive refractive power and a last lens with a negative refractive power, the first surface of which is arranged concavely with respect to the subgroup G3.
  • G4 consists of a concave-convex lens L6 and a meniscus-shaped last lens L7 of negative refractive power, which is arranged with its convex surface at image position IM.
  • the features of the subgroups G3 and G4 can be used to compensate for the monochromatic aberrations between the center of the image and the image field.
  • An advantageously selected Abbe number v for at least one of the lenses of negative refractive power of the front group VG of less than or equal to 25 (v ⁇ 25) and in particular equal to 23 (v ⁇ 23) serves to compensate for chromatic aberrations.
  • At least one lens of the front group VG is aspherical on one or both sides, with a lens of positive refractive power preferably having the surface on the object side and a lens of negative refractive power preferably the surface on the image side having the aspherical surface.
  • the first surface of the lens L1 in the light direction has an aspherically shaped surface. This minimizes monochromatic aberrations in the center of the image.
  • the last lens of the rear group HG is advantageously formed with an aspherical surface on one or both sides.
  • the first, concavely shaped lens surface of the lens L7 in the light direction has an aspherical shape.
  • Focusing group lightweight and allows for quick focusing.
  • One The lightweight focusing group also has the advantage of low power consumption in autofocus applications and enables quiet focusing.
  • the image circle diameter Bd is also known to those skilled in the art as the image diagonal of a digital image recording sensor Bs and is described in more detail below with reference to FIG.
  • Another advantage for a compact design is that the ratio of the optical overall length SO' of the lens to the image circle diameter Bd in the imaging plane IM is less than or equal to 2.0 (SO 1 / Bd ⁇ 2.0), with the optical overall length SO' being the distance from the lens vertex to the in Light direction first lens surface of the lens L1 is defined on the optical axis up to the image position IM.
  • a lens designed with the features described above advantageously has half an object angle w in the range between 21° and 26° (21° ⁇ w ⁇ 26°).
  • the lens has an aperture ratio F/# of at least 1.7 and at most 2.5 (1.7 ⁇ F/# ⁇ 2.5°).
  • Mechanical design data and optical parameters for the respective lens elements are given in the following tables for the exemplary embodiment in FIG.
  • the vertex radius r i.e. the radius on the optical axis, is specified for each surface.
  • the area type is given.
  • K01 designates the first surface as an aspherically curved surface
  • H06 designates the sixth surface as a diffractive surface.
  • dM denotes the center thickness of each lens or the distance to an adjacent surface at the vertex.
  • the value dM is given as the distance in the focusing position at infinity
  • V01 and V02 are the distances that are variable with the focusing.
  • ne designates the refractive index for the Fraunhofer line e (wavelength 546.0740 nm) and ve the Abbe number for the Fraunhofer line e.
  • the conic constant k and the aspheric coefficients a2 to a7 are for the aspheric surfaces marked with K above for the surface type and the phase coefficient C1 in for the diffractive surface marked with H06
  • the exemplary embodiment of a lens with a fixed focal length shown in FIG. 6 consists of three optical assemblies, a front group VG with positive total refractive power, a middle group MG with positive total refractive power and a rear group HG with positive total refractive power, which are arranged in front of an image position IM as seen in the light direction.
  • focal length ratios For standardized representation, the following numerical values are given by focal length ratios.
  • the focal length f VG of the front group VG is through the range
  • the focal length f MG of the middle group is in the range
  • the previously described groups VG, MG and HG consist of lenses L1 to L9, which have the refractive power sequence + + - + - + - + - seen in the light direction.
  • f tot 3.4 in each case in relation to a given total focal length f' tot of the lens is particularly advantageously defined.
  • the focal length F MG of the middle group MG is therefore, as already mentioned, with f MG ⁇ f tot - +0.9 to choose.
  • the lens L4 of the center group MG arranged in the vicinity of the diaphragm BL is designed as a convex lens of positive refractive power with an aspherical first surface and an almost planar second surface viewed in the light direction.
  • the almost planar second surface is particularly suitable for the simple manufacture of a diffractive structure and the aspheric first surface compensates for the monochromatic aberrations over the distance setting range.
  • the front group VG consists of at least a first lens L1 with positive refractive power and a last lens with negative refractive power with a first concave side in the light direction.
  • the front group VG is formed from three lenses L1, L2 and L3 and has a positive refractive power overall.
  • the lenses L1 and L2 are designed as convex-concave or convex-planar lenses, each with a positive refractive power, and the lens L3 is designed in the shape of a meniscus as a convex-concave lens with a negative refractive power. In this way, a correction of the monochromatic aberrations in the center of the image is advantageously achieved.
  • the subgroup G3 of the rear group HG has a negative refractive power and consists of at least a first lens with a negative refractive power and a last lens with a positive refractive power.
  • it consists of the lens elements L5 and L6.
  • the lens L5 is advantageously a plano-concave lens of negative refractive power with a plane surface arranged for the aperture diaphragm BL or the center group MG formed and the lens L6 is designed as a biconvex lens positive refractive power.
  • the subgroup G4 of the rear group HG has a positive overall refractive power and consists of at least one penultimate lens with a positive refractive power and a last lens with a negative refractive power, the first surface of which is arranged concavely with respect to the subgroup G3.
  • subgroup G4 consists of a biconcave lens L7 with negative refractive power, a biconvex lens L8 with positive refractive power, and a meniscus-shaped last lens L9 with negative refractive power, which is arranged with its convex surface toward image position IM.
  • the last lens of the rear group HG is aspherical on one or both sides.
  • the last lens L9 is aspherical on one side, with the first, concave surface of the lens L9 in the light direction having an aspherically shaped surface. This minimizes monochromatic aberrations in the image field.
  • a light focusing group MG is advantageous for a high focusing speed.
  • a ratio of the volume V of the focusing group MG to the image circle diameter Bd in the imaging plane to the cube of less than 0.1 (V/Bd 3 ⁇ 0.1) has proven to be particularly advantageous.
  • the focusing group is light and allows for quick focusing.
  • a lightweight focusing group has the advantage of low power consumption in autofocus applications and enables quiet focusing.
  • the image circle diameter Bd is also known to those skilled in the art as the image diagonal of a digital image recording sensor Bs and is described in more detail below with reference to FIG.
  • Another advantage for a compact design is that the ratio of the optical overall length SO' of the lens to the image circle diameter Bd in the imaging plane IM is less than or equal to 3.0 (SO 1 / Bd ⁇ 3.0), with the optical overall length SO' being the distance from the lens vertex to the in Light direction first lens surface of the lens L1 is defined on the optical axis up to the image position IM in the imaging plane.
  • a lens designed with the features described above advantageously has half an object angle w in the range between 10° and 18° (10° ⁇ w ⁇ 18°).
  • the lens has an aperture ratio F/# of at least 1 .7 and at most 2.5 (1 .7 ⁇ F/# ⁇ 2.5°).
  • the data refer to the surfaces of the lens elements, numbered in ascending order in the direction of light.
  • the first surface 1 describes the air-glass transition at lens L1 and the last surface 19 the glass-air transition at lens L9.
  • the aperture stop BL is indicated as a flat surface 9.
  • the vertex radius r ie the radius on the optical axis, is specified for each surface.
  • the area type is given.
  • the seventh surface is an aspherically curved surface and with H08 the eighth surface is a diffractive surface marked.
  • dM denotes the center thickness of each lens or the distance to an adjacent surface at the vertex.
  • the value dM is given as the distance in the focusing position at infinity, and V01 and V02 are the distances that are variable with the focusing.
  • ne designates the refractive index for the Fraunhofer line e (wavelength 546.0740 nm) and ve the Abbe number for the Fraunhofer line e.
  • the exemplary embodiment of a lens with a fixed focal length shown in FIG. 7 consists of three optical assemblies, a front group VG with positive total refractive power, a middle group MG with positive total refractive power and a rear group HG with positive total refractive power, which are arranged in front of an image position IM as seen in the light direction.
  • focal length ratios For standardized representation, the following numerical values are given by focal length ratios.
  • the focal length f VG of the front group VG is through the range
  • the focal length f M G of the middle group is in the range
  • the previously described groups VG, MG and HG consist of lenses L1 to L10 which, seen in the light direction, have the refractive power sequence + + - + - - + - + -.
  • the refractive power f M G of the middle group MG should not be chosen too small, because otherwise the focus stroke from infinity focusing to close-up focusing would be longer; on the other hand, the refractive power should not be chosen too large, otherwise the volume of the lens would increase. Both effects have an adverse effect and would result in the lens focusing too slowly and no longer being suitable for autofocus applications.
  • the focal length F MG of the center group MG should be selected, as already mentioned, with f MG ⁇ f tot - +0.6.
  • the optical element of the middle group MG is a lens L4 with an area of diffractive power f DOE within the limits
  • a simple production of the diffractive structure required for the diffractive refractive power on a flat, but at least only slightly curved surface is made possible. Therefore, in the exemplary embodiment, a vertex radius r D oE of the diffractive surface of the lens L4 of the middle group (MG) with focal length F MG is advantageously f'iviG/ rDOE - 0.5923 in this exemplary embodiment respectively.
  • the lens L4 of the center group MG arranged in the vicinity of the diaphragm BL is designed as a convex lens of positive refractive power with an aspherical first surface and an almost planar second surface viewed in the light direction.
  • the almost planar second surface is particularly suitable for the simple manufacture of a diffractive structure and the aspheric first surface compensates for the monochromatic aberrations over the distance setting range.
  • the paraxial imaging scale ⁇ ' M G of the center group MG is advantageously within the limits
  • the front group VG consists of at least a first lens L1 with positive refractive power and a last lens with negative refractive power with a first concave side in the light direction.
  • the front group VG is formed from three lenses L1, L2 and L3 and has a positive refractive power overall.
  • the lenses L1 and L2 can be convex-planar or biconvex and are designed in the exemplary embodiment as convex-concave lenses each with a positive refractive power and the lens L3 is designed as a meniscus-shaped convex-concave lens with a negative refractive power. In this way, a correction of the monochromatic aberrations in the center of the image is advantageously achieved.
  • the subgroup G3 of the rear group HG has a negative total refractive power and consists of at least a first lens with a negative refractive power and a last lens with a positive or negative refractive power.
  • it consists of the lens elements L5, L6 and L7.
  • the lens L5 is advantageously designed as a biconcave lens of negative refractive power.
  • the lens L6 is designed as a biconcave lens of negative refractive power with the biconvex lens L7 of positive refractive power as a lens doublet.
  • the subgroup G4 of the rear group HG has a positive overall refractive power and consists of at least one penultimate lens with a positive refractive power and a last lens with a negative refractive power, the first surface of which is arranged concavely with respect to the subgroup G3.
  • the subgroup G4 consists of a meniscus-shaped convex-concave lens L8 with negative refractive power, a biconvex lens L9 with positive refractive power and a meniscus-shaped concave-convex lens L10 with negative refractive power, which are combined to form a lens triplet.
  • a light focusing group MG is advantageous for a high focusing speed.
  • a ratio of the volume V of the focusing group MG to the image circle diameter Bd in the imaging plane to the cube of less than 0.1 (V/Bd 3 ⁇ 0.1) has proven to be particularly advantageous. This way is the
  • a lens designed with the features described above advantageously has half an object angle w in the range between 10° and 18° (10° ⁇ w ⁇ 18°).
  • the lens has an aperture ratio F/# of at least 1 .7 and at most 2.5 (1.7 ⁇ F/# ⁇ 2.5°).
  • the data refer to the surfaces of the lens elements, numbered in ascending order in the direction of light.
  • the first surface 1 describes the air-glass transition at lens L1 and the last surface 18 the glass-air transition at lens L10.
  • the aperture stop BL is indicated as a flat surface 9.
  • the vertex radius r i.e. the radius on the optical axis, is specified for each surface.
  • the area type is given.
  • K07 designates the seventh surface as an aspherically curved surface and H08 designates the eighth surface as a diffractive surface.
  • dM denotes the center thickness of each lens or the distance to an adjacent surface at the vertex.
  • the value dM is given as the distance in the focusing position at infinity, and V01 and V02 are the distances that are variable with the focusing.
  • ne designates the refractive index for the Fraunhofer line e (wavelength 546.0740 nm) and ve the Abbe number for the Fraunhofer line e.
  • the conic constant k and the aspheric coefficients a2 to a4 are for the aspherical surfaces marked with K above for the surface type and the phase coefficient C1 in for the diffractive surface marked with H08
  • the exemplary embodiments of a lens with a fixed focal length shown in FIGS. 8 and 9 consist of three optical assemblies, a front group VG, a middle group MG and a rear group HG, each with a positive total refractive power, which are arranged in front of an image position IM when viewed in the light direction.
  • focal length ratios For standardized representation, the following numerical values are given by focal length ratios.
  • the focal length f VG of the front group VG is through the range
  • the front group VG consists of two subgroups G1 and G2, the middle group MG consists of an optical element G3 and the rear group HG has two subgroups G4 and G5.
  • An aperture stop BL with a changeable opening diameter is arranged between the front group VG and the center group MG.
  • the middle group MG is arranged in the vicinity of the diaphragm, that is to say no further optical element is provided between the aperture diaphragm BL and the middle group MG.
  • the middle group MG consists of an optical subgroup G3 and is mounted movably from the infinity position shown for focusing purposes to a near-focus area, counter to the direction of the light (i.e. in the direction of the arrow shown) in the direction of the aperture diaphragm BL.
  • the refractive power F MG of the middle group MG should not be chosen too small, because otherwise the focus travel from infinity focusing to close-up focusing would be longer, and on the other hand the refractive power should not be chosen too large, otherwise the volume of the lens would increase. Both effects have an adverse effect and would result in the lens focusing too slowly and no longer being suitable for autofocus applications.
  • the focal length F MG of the middle group MG is in the range + 1 .6 f'l G/fges - +3.0 to choose.
  • the optical element G3 of the middle group MG as a lens L5 with a positive refractive power and as a lens L6 with a one-sided diffractive surface with a refractive power f D OE within the limits
  • the diffractive structure required for the diffractive refractive power can be easily produced on a flat, at least only slightly curved surface of one of the lenses of the central group MG.
  • the vertex radius T D OE of the diffractive surface of this lens of the middle group MG is planar within the limits:
  • Compensation for the monochromatic aberrations over the distance setting range is advantageously ensured if the surface of the lens of the center group MG facing the aperture stop BL has a positive refractive power and is also advantageously designed to be aspherical.
  • the subgroup G1 of the front group VG consists of two members L1 and L2 and has an overall negative refractive power.
  • the focal length f'd of the subgroup G1 is defined by the range f'Gi/f'ges -3.7.
  • the at least one convex-concave first lens L1 with negative refractive power is meniscus-shaped and arranged with its concave side toward a convex side of the at least one lens L2 with positive refractive power.
  • the subgroup G2 of the front group VG has two members L3 and L4 with an overall positive refractive power.
  • the at least one first lens L3 with negative refractive power is biconcave and arranged with its concave first side to the lens L2 of the subgroup G1.
  • the second element of subgroup G2 has at least one lens L4 of positive refractive power.
  • the elements L3 and L4 are designed as individual lenses and combined as a doublet.
  • the monochromatic aberrations between the image center and the image field are compensated in an advantageous manner.
  • the subgroup G4 of the rear group HG has two members L7 and L8 with an overall positive refractive power. It consists of at least one biconvex lens L7 with a positive refractive power and at least one biconcave lens L8 with a negative refractive power. L7 is arranged with its convex first side towards the middle group MG. In the exemplary embodiment, the elements L7 and L8 are designed as individual lenses and combined as a doublet.
  • the subgroup G5 of the rear group HG has a negative or positive total refractive power and consists of at least one last lens L9 whose first surface is concave and arranged in relation to the subgroup G4.
  • the focal length f G s of the subgroup G5 is defined by the range ⁇ 0.1 ⁇ f tot / fG5 +0.1.
  • the features of the subgroups G4 and G5 can be used to minimize the coma, the astigmatic difference and the distortion in the image field.
  • An advantageously selected refractive index n of the first lens of negative refractive power of the front group VG of less than or equal to 1.60 (n ⁇ 1.60) also contributes to minimizing the Petzval sum.
  • the first lens L1 of the front group VG is designed with aspherical surfaces on one or both sides.
  • the last lens L9 of the rear group HG is advantageously designed with aspherical surfaces on one or both sides in order to achieve further compensation for the monochromatic aberrations in the image field.
  • Focusing group lightweight and allows for quick focusing. At the same time, a lightweight focusing group has the advantage of low power consumption in autofocus applications and enables a quiet focus.
  • the image circle diameter Bd is also known to those skilled in the art as the image diagonal of a digital image recording sensor Bs and is described in more detail below with reference to FIG.
  • Another advantage for a compact design is that the ratio of the optical overall length SO' of the lens to the image circle diameter Bd in the imaging plane IM is less than or equal to 2.0 (SO 1 / Bd ⁇ 2.0), with the optical overall length SO' being the distance from the lens vertex to the in Light direction first lens surface of the lens L1 is defined on the optical axis up to the image position IM in the imaging plane.
  • the lens has an aperture ratio F/# of at least 1.7 and at most 2.5; it is advantageously in the range between 1.7 and 2.5 (1.7 ⁇ F/# ⁇ 2.5).
  • the focal length f VG of the front group VG is given by f'vG/f'ges +8.7
  • the lens L5 of the optical element G3 of the center group MG which is arranged behind the diaphragm BL, is designed as a convex lens with an aspherical first surface as seen in the direction of light.
  • the second surface can be flat or concave.
  • An optically transparent plane plate is particularly suitable for the simple production of a diffractive structure.
  • the aspherical first surface of lens L5 compensates for monochromatic aberrations over the focusing range.
  • the first lens L1 has a convex-concave shape with a negative refractive power and is meniscus-shaped with an aspherically curved convex side and an aspherically curved concave side.
  • the first concave side of the lens L9 in the light direction is shaped aspherically.
  • the lens L2 of the front group VG and the lens L7 of the rear group HG advantageously have the same refractive index.
  • the lens L5 of the optical element G3 of the center group MG, which is arranged behind the diaphragm BL, is designed as a convex-concave lens with an aspherical first surface as seen in the direction of light.
  • the second surface of the lens L6 in the light direction is designed as a plane surface.
  • the aspheric first surface of lens L5 compensates for monochromatic aberrations over the focusing range.
  • the first lens L1 has a convex-concave shape with a negative refractive power and is meniscus-shaped with an aspherically curved convex side and an aspherically curved concave side.
  • the lens L2 of the front group VG and the lens L7 of the rear group HG advantageously have the same refractive index. In this embodiment, it makes sense to use the same glass material for both lenses in order to make production easier and reduce storage costs.
  • the data refer to the surfaces of the lens elements, numbered in ascending order in the direction of light.
  • the first surface 1 describes the air-glass transition at lens L1 and the last surface 17 the glass-air transition at lens L9.
  • the aperture stop BL is indicated as a flat surface 8.
  • the vertex radius r ie the radius on the optical axis, is specified for each surface.
  • the area type is given.
  • K01 designates the first surface as an aspherically curved surface
  • H12 designates the twelfth surface as a diffractive surface.
  • dM denotes the center thickness of each lens or the distance to an adjacent surface at the vertex.
  • the value dM is specified as the distance in the focusing position at infinity
  • V01 and V02 are the distances that are variable with the focusing.
  • ne designates the refractive index for the Fraunhofer line e (wavelength 546.0740 nm) and ve the Abbe number for the Fraunhofer line e.
  • the assignment of the numbered surfaces to the respective lenses L1 - L9, the subgroups G1 -G5 and the groups VG, MG and HG is given in the last three columns:
  • FIG. 10 a circular imaging plane IM is shown schematically in the image position.
  • the image circle diameter Bd which corresponds to the diameter of an image sensor Bs shown as a rectangle, is shown with a double arrow.

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Abstract

Es wird ein Objektiv fester Brennweite mit in Lichtrichtung einer ortsfesten vorderen Linsengruppe (VG), einer ortsfesten Blende (BL) einstellbarer Öffnung, einer ortsfesten hinteren Linsengruppe (HG) und einer relativ zur Blende entlang der optischen Achse des Objektivs verschiebbaren Fokussiergruppe (MG) zur Abbildung unterschiedlich entfernter Objekte auf eine ortsfeste Bildebene (IM) beschrieben, bei dem die Fokussiergruppe (MG) aus mindestens einem Linsenelement und einem in die Fokussiergruppe (MG) integrierten diffraktiven optischen Element (DOE) besteht.

Description

Objektiv fester Brennweite
Die Erfindung betrifft ein Objektiv fester Brennweite mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 .
Solche Objektive sind in vielfältiger Ausgestaltung und für unterschiedliche Brennweiten bekannt. Durch die Verschiebung der Fokussiergruppe wird die Baulänge des Objektivs nicht verändert. Diese Art der Fokussierung wird daher als Innenfokussierung bezeichnet, wobei die Fokusgruppe sowohl in Lichtrichtung vor der Blende als auch hinter der Blende angeordnet sein kann, d.h. relativ zur Blende verschiebbar ist.
Aus der Druckschrift US 9,201 ,213 B2 sind Abbildungs-Objektive mit Innenfokussierung und einer Einzellinse als Fokus-Element bekannt.
Aus der Druckschrift US 2006 / 0 082 882 A1 ist eine Einzellinse mit DOE zur achromatischen Abbildung mit erweiterter Fokus-Tiefe bekannt.
Aus der Druckschrift US 2012 / 003 660 A1 ist ein diffraktiv-refraktives Linsen-Duplett als achromatische Abbildungslinse bekannt.
Aus der Druckschrift US 2015 / 002 939 A1 ist ein feststehendes Linsen-Element mit DOE in der Vordergruppe eines Objektivs bekannt. Zur Fokussierung ist ein Linsen-Kittglied vorgesehen. Es ist ferner bekannt, dass Objektive mit unabhängig zueinander beweglichen Fokus-Elementen eine aufwändige und damit teure mechanische Ansteuerung, insbesondere elektro-mechanische Ansteuerung bei Autofokus-Objektiven, benötigen. Um für beide Fokus- Elemente eine Bewegung entlang der optischen Achse des Objektivs zu gewährleisten, bauen solche Objektive relativ groß.
Zur Verringerung der Baulänge des Objektivs wird daher die Zusammenfassung der Fokus-Elemente zu einer einzigen Fokusgruppe, bestehend aus möglichst nur einer Linse angestrebt. Um die Farbkorrektion bei Verwendung einer Linse annähernd zufrieden zu stellen, sind solche Fokus-Elemente meist aus einem Glas geringer Dispersion (Phosphatglas) gefertigt, womit sie besonders empfindlich beim Bearbeitungsprozess und gegenüber Umwelteinflüssen sind. Zur Verbesserung der Korrektion der monochromatischen und chromatischen Aberrationen ist daher häufig ein Kittglied vorzusehen. Insbesondere bei Objektiven für große Formate wie Kleinbild- oder Mittelformat ist ein Kittglied zur Fokussierung schwer und lässt sich nur langsam bewegen, womit insbesondere ein Autofokus langsam ist.
Die Abbildungsleistung solcher Objektive ist verursacht durch den Gang des chromatischen Längsfehlers über den Entfernungseinstellbereich nicht befriedigend.
Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, den chromatischen Längsfehler besser korrigieren zu können, um den Gang dieses Abbildungsfehlers über den Entfernungseinstellbereich minimieren zu können. Außerdem sollte das Gewicht des Fokus-Elementes sehr verringert werden, um eine schnelle Bewegung für Autofokus- Anwendungen erreichen zu können. Diese Aufgabe wird bei einem Objektiv der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Die zur Entfernungseinstellung bewegliche Fokussiergruppe ist dabei aus mindestens einem jedoch maximal zwei gemeinsam bewegten Linsenelementen mit jeweils positiver oder negativer Brechkraft und wahlweise einseitig diffraktiver Eigenschaft und einseitig refraktiver, durch eine sphärische oder asphärische Oberfläche erzeugte Eigenschaft hergestellt, wobei die Fokussiergruppe insgesamt eine positive Brechkraft aufweist und das Verhältnis der Brechkraft f DOE des diffraktiven optischen Elements zur Gesamtbrechkraft f'ges des Objektivs mindestens 14.9 und höchstens 45.4 beträgt.
Die zur Entfernungseinstellung bewegliche Fokussiergruppe ist in einem Blendennahbereich angeordnet und wird zur Fokussierung von einer Unendlicheinstellung, d.h. das Objektiv ist auf einen unendlich entfernten Objektpunkt fokussiert, auf eine Fokussierung im Nahbereich entgegen der Lichtrichtung verschoben. Die Fokussiergruppe bewegt sich dabei von der hinteren Linsengruppe weg auf die vordere Linsengruppe zu. Der Blendennahbereich ist als der Bereich definiert, der sich unmittelbar vor oder hinter der Blende befindet, wobei zwischen Blende und Fokussierglied kein, bzw. höchstens ein weiteres optisches Element angeordnet ist.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich ferner aus den Merkmalen der Beschreibung zur Zeichnung.
Zu den in den Ansprüchen angegebenen Lösungsmerkmalen ist zu beachten, dass beim modernen Optik-Design üblicherweise automatische Korrektionsprogramme, wie z.B. „Code V“ der Firma Synopsys und „Zemax" der Firma ZEMAX LLC., eingesetzt werden, die in der Lage sind, aus vorgegebenen Linsenfolgen und Brechkraftverteilungen Vorschläge für funktionsfähige Objektivsysteme mit einem für eine bestimmte Aufgabe optimierten Korrektionszustand zu berechnen. Aufgrund gezielter Veränderungen der angegebenen Parameter durch den Optikdesigner wird der automatisch erreichte Korrektionszustand jeweils weiter verbessert.
Mit den Merkmalen des Anspruchs 1 lassen sich auf diese Weise bereits die Konstruktionsdaten für Radien, Linsendicken, Linsenabstände, Brechzahlen und Abbezahlen der einzusetzenden optischen Gläser gewinnen. Bei Berücksichtigung der in den Unteransprüchen und der Figurenbeschreibung angegebenen Merkmale lassen sich die Konstruktionsparameter schrittweise gezielt verbessern.
Die Gestaltung und Berechnung asphärischer Flächen an optischen Linsen-Elementen sowie die Gestaltung und Berechnung diffraktiver Elemente hinsichtlich ihres Einflusses auf den Abbildungsstrahlengang in optischen Systemen sind dem Optik-Fachmann an sich bekannt.
So werden zum Beispiel asphärische Flächen anhand einer Kegelschnittdarstellung der asphärischen Linse mit der Formel
Figure imgf000006_0001
beschrieben, wobei davon ausgegangen wird, dass die optische Achse in z-Richtung liegt und z(h) die Pfeilhöhe parallel im Abstand h senkrecht zur optischen Achse angibt. Die Asphärenkoeffizienten a2, a4, .... an beschreiben die Abweichung der Oberfläche von der axialsymmetrischen quadratischen Oberfläche, die durch r, den Krümmungsradius der sphärischen Oberfläche und k, die konische Konstante vorgegeben ist. Die Gestaltung und Berechnung eines diffraktiven Elements wird durch das Phasenprofil und die Brennweite der diffraktiven Fläche bezüglich der Spektrallinie mit der Wellenlänge 546.0740 nm, d.h. der Fraunhoferlinie e beschrieben.
Die Formel für das Phasenprofil der diffraktiven Fläche lautet:
Figure imgf000007_0001
Dabei entspricht qjdOe dem Phasenprofil im Abstand h senkrecht zur optischen Achse und C1 , C2, C3,...Cn den Phasenkoeffizienten.
Die Formel für die Brennweite fdoe der diffraktiven Fläche bezüglich der e-Linie lautet
Figure imgf000007_0002
Aconstr entspricht dabei der Konstruktions-Wellenlänge, die bei den nachfolgenden Beispielen mit 546.074nm gleich der Spektrallinie e gewählt wurde. Die Beugungsordnung m beträgt bei den Beispielen 1 .
Der paraxiale Abbildungsmaßstab ß' ist mit
Figure imgf000007_0003
definiert, wobei n der Brechzahl vor und n' der Brechzahl nach dem optischen Element entspricht. Definitionsgemäß entspricht u dem paraxialen Randstrahl vor und u' dem paraxialen Randstrahl nach dem optischen Element. Die Abbe-Zahl ve bezüglich der e-Linie ist mit
Figure imgf000008_0001
für Spektrallinie C = 643.8469 nm, e = 546.0740 nm und
F' = 479.9914 nm definiert.
Der Einsatz diffraktiver optischer Elemente (DOE) bei fotografischen Objektiven ist ebenfalls an sich bekannt, wobei die diffraktiven optischen Elemente z.B. als fotolithografisch erzeugte Mikrostrukturen (Beugungsstrukturen) auf einem Linsen-Element aufgebracht werden. Ziel ist allgemein die Minimierung chromatischer Aberrationen bei gleichzeitig leichterer Konstruktion des Objektivs. Die Konzentration auf die Konstruktion eines Fokussierelementes in einem Objektiv ist nicht bekannt. Diese Erkenntnis ist aber eine Schlüsselfunktion für die Konstruktion insgesamt leichter Objektive.
Ein bei erfindungsgemäß gestalteten Objektivvananten gegebenenfalls auftretender, unerwünschte stärkere chromatische Farbvergrößerungsdifferenz kann bei erfindungsgemäßen Objektiv- Digitalkameraanordnungen mithilfe von Softwarealgorithmen nach der Bildaufnahme in der Kamera korrigiert werden. Eine Korrektur im Postprocessing der Bilddaten am Computer ist ebenfalls möglich.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung als Linsenschnitte schematisch dargestellt und werden anhand der Figuren genauer beschrieben. Allgemein sind bei den Linsenschnitten die mit einem * gekennzeichneten Linsenfläche asphärisch gekrümmt ausgeführt. Die mit # gekennzeichneten Flächen weisen eine diffraktive Brechkraft auf.
Die Möglichkeiten, die Aufgabe gemäß der Erfindung zu lösen, sind dabei nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Die Ausführungsformen sind daher lediglich exemplarisch und in den Abbildungen schematisch dargestellt. Gleiche Bezugszeichen in den einzelnen Figuren bezeichnen die gleichen oder funktional identischen oder in ihren Funktionen entsprechenden Elemente.
Die dargestellten Objektivbeispiele konstanter Baulänge mit Innenfokussierung bestehen entsprechend der Definition in der Beschreibung, offenbarter weiterer Linsenparameter und den Patentansprüchen aus einer vorderen Linsengruppe VG, einer ortsfesten Blende BL einstellbarer Öffnung, einer ortsfesten hinteren Linsengruppe HG und einer relativ zur Blende entlang der optischen Achse des Objektivs verschiebbaren Mittelgruppe MG als Fokussiergruppe. Die Fokussiergruppe MG ist bei allen Figuren der Zeichnung in der Entfernungseinstellung unendlich angeordnet und zur Fokussierung auf einen nahen Objektpunkt entgegen der Lichtrichtung, in angegebener Pfeilrichtung verschiebbar gelagert. Definitionsgemäß erfolgt die Nummerierung einzelner Linsen L1 , L2, L3,... in Lichtrichtung. Einzelne Linsen können dabei zu Gruppen G1 , G2, G3,... zusammengefasst sein.
Die in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiele eines Objektivs fester Brennweite und konstanter Baulänge besteht aus drei optischen Baugruppen, einer Vordergruppe VG, einer Mittelgruppe MG und einer Hintergruppe HG mit je positiver Gesamtbrechkraft, die in Lichtrichtung gesehen vor einer Bildposition IM angeordnet sind. Zur normierten Darstellung werden die nachfolgenden Zahlenwerte durch Brennweitenverhältnisse angegeben.
Die Brennweite f VG der Vordergruppe VG ist durch den Bereich
+7.0 < f'vc/f'ges +25.7 definiert, die Brennweite f MG der Mittelgruppe liegt im Bereich
+ 1 .6 f'MG/f'ges - +3.0 und die Brennweite f HG der Hintergruppe HG liegt im Bereich
+3.1 < f'HG/f'ges +5.0.
Die Vordergruppe VG, besteht aus zwei Untergruppe G1 und G2, die Mittelgruppe MG aus einem optischen Element G3 und die Hintergruppe HG weist zwei Untergruppen G4 und G5 auf. Zwischen der Vordergruppe VG und der Mittelgruppe MG ist eine Aperturblende BL mit veränderbarem Öffnungsdurchmesser angeordnet. Die Mittelgruppe MG ist definitionsgemäß im Blendennahbereich angeordneten, das heißt, zwischen Aperturblende BL und der Mittelgruppe MG ist kein weiteres optisches Element vorgesehen. Die Mittelgruppe MG besteht aus einem optischen Element G3 und ist von der dargestellten Unendlichposition zu Fokussierungszwecken auf einen Fokusnahbereich, entgegen der Lichtrichtung (d.h. in Richtung des dargestellten Pfeils) in Richtung der Aperturblende BL bewegbar gelagert.
In vorteilhafter Weise ist die Brechkraft FMG der Mittelgruppe MG einerseits nicht zu klein zu wählen, weil ansonsten der Fokushub, von Unendlichfokussierung auf Nahfokussierung länger wird, andererseits darf die Brechkraft auch nicht zu groß gewählt werden, da sonst das Volumen der Linse ansteigt. Beide Effekte wirken sich nachteilig aus und würde dazu führen, dass die Fokussierung des Objektivs zu langsam und für Autofokusanwendungen nicht mehr geeignet wäre. Erfindungsgemäß ist daher die Brennweite FMG der Mittelgruppe MG im Bereich
+ 1 .6 f'MG/f'ges - +3.0 zu wählen.
In besonders vorteilhafter Weise ist zur Minimierung des Farbfehlers über den gesamten Entfernungseinstellungsbereich des Objektivs, das optische Element G3 der Mittelgruppe MG als Linse L5 mit einer Fläche diffraktiver Brechkraft f DOE innerhalb der Grenzen
+33.6 < f DOE/f'ges +45.4 ausgebildet.
Erfindungsgemäß wird die einfache Herstellung der für die diffraktive Brechkraft erforderlichen diffraktiven Struktur auf einer ebenen, zumindest nur schwach gekrümmten Fläche ermöglicht. In vorteilhafter Weise ist daher der Scheitelradius TDOE der diffraktiven Fläche der Linse L5 der Mittelgruppe (MG) plan innerhalb der Grenzen:
-0.1255 < f'MG/rDoE +0.1388.
In vorteilhafter Weise wird ein Ausgleich der monochromatischen Aberrationen über den Entfernungseinstellbereichs, gewährleistet, wenn die der Aperturblende BL zugewandte andere Fläche der Linse L5 eine positive Brechkraft aufweist und weiter vorteilhaft asphärisch ausgebildet ist. Die Untergruppe G1 der Vordergruppe VG besteht aus zwei Gliedern L1 und L2 und weist insgesamt negative Brechkraft auf. Die Brennweite f'd der Untergruppe G1 ist durch den Bereich f'Gi/f'ges -3.7 definiert.
Die mindestens eine konvex-konkave erste Linse L1 mit negativer Brechkraft ist meniskus-förmig ausgebildet und mit ihrer konkaven Seite zu einer konvexen Seite der mindestens einen Linse L2 mit positiver Brechkraft hin angeordnet.
Die Untergruppe G2 der Vordergruppe VG weist zwei Gliedern L3 und L4 mit insgesamt positiver Brechkraft auf. Die mindestens eine erste Linse L3 mit negativer Brechkraft ist bikonkav ausgebildet und mit ihrer konkaven ersten Seite zur Linse L2 der Untergruppe G2 hin angeordnet. Das zweite Element der Untergruppe G2 weist mindestens eine Linse L4 positiver Brechkraft auf. Im Ausführungsbeispiel sind die Glieder L3 und L4 als Einzellinsen ausgeführt und als Duplett zusammengefasst.
Mit den Merkmalen der Untergruppen G1 und G2 erfolgt in vorteilhafter Weise ein Ausgleich der monochromatischen Abberationen zwischen Bildmitte und Bildfeld.
Die Untergruppe G4 der Hintergruppe HG weist zwei Gliedern L6 und L7 mit insgesamt positiver Brechkraft auf. Sie besteht aus mindestens einer bikonvexen Linse L6 mit positiver Brechkraft und mindestens einer bikonkaven Linse L7 negativer Brechkraft. L6 ist mit ihrer konvexen ersten Seite zur Mittelgruppe MG hin angeordnet. Im Ausführungsbeispiel sind die Glieder L6 und L7 als Einzellinsen ausgeführt und als Duplett zusammengefasst. Die Untergruppe G5 der Hintergruppe HG weist negative oder positive Gesamtbrechkraft auf und besteht aus mindestens einer letzten Linse L8 deren erste Fläche konkav ausgebildet und zur Untergruppe G4 angeordnet ist. Die Brennweite fGs der Untergruppe G5 ist dabei durch den Bereich -0.1 < fges/fG5 +0.1 definiert.
In vorteilhafter Weise lassen sich mit den Merkmalen der Untergruppen G4 und G5 eine Minimierung der Koma, der astigmatischen Differenz und der Verzeichnung im Bildfeld realisieren.
Vorteilhaft weist die Brechzahl n mindestens einer der Linsen positiver Brechkraft der Vordergruppe VG einen Wert größer oder gleich 1.85 (n > 1 .85) auf, auf diese Weise erfolgt eine Minimierung der Petzvalsumme.
Weiter vorteilhaft ist die Brechzahl n mindestens einer der Linsen positiver Brechkraft der Hintergruppe HG ebenfalls größer oder gleich 1 .85 (n > 1.85) gewählt, um die Petzvalsumme weiter zu minimieren.
Auch eine vorteilhaft gewählte Brechzahl n der ersten Linse negativer Brechkraft der Vordergruppe VG von kleiner oder gleich 1 .60 (n < 1 .60) trägt zur Minimierung der Petzvalsumme bei.
Zum Ausgleich der monochromatischen Aberrationen im Bildfeld ist die erste Linse L1 der Vordergruppe VG einseitig oder beidseitig mit asphärischen Flächen ausgebildet.
Vorteilhaft ist die letzte Linse L8 der Hintergruppe (HG) einseitig oder beidseitig mit asphärischen Flächen ausgebildet um einen weiteren Ausgleich der monochromatischen Aberrationen im Bildfeld zu erreichen.
Vorteilhaft für eine hohe Fokussiergeschwindigkeit ist eine leichte Fokussiergruppe MG. Dabei hat sich ein Verhältnis des Volumens V der Fokussiergruppe MG zum Bildkreisdurchmesser Bd in der Abbildungsebene in der dritten Potenz kleiner als 0,1 (V / Bd3 < 0.1 ) als besonders vorteilhaft erwiesen. Auf diese Weise ist die Fokussiergruppe leicht und ermöglicht eine schnelle Fokussierung. Eine leichte Fokussiergruppe hat gleichzeitig den Vorteil eines geringen Stromverbrauchs bei Autofokusanwendungen und ermöglicht eine leise Fokussierung. Der Bildkreisdurchmesser Bd ist dem Fachmann auch als Bilddiagonale eines digitalen Bildaufnahmesensors Bs bekannt und wird anhand der Fig. 10 genauer beschrieben.
Weiter vorteilhaft, ist für eine kompakte Bauform das Verhältnis der optischen Baulänge SO' des Objektivs zum Bildkreisdurchmesser Bd in der Abbildungsebene IM kleiner oder gleich 2.0 (SO1 / Bd < 2.0), wobei die optische Baulänge SO' als der Abstand vom Linsenscheitel der in Lichtrichtung ersten Linsenfläche der Linse L1 auf der optischen Achse bis zur Bildposition IM definiert ist.
Ein mit den zuvor beschriebenen Merkmalen konstruiertes Objektiv weist in vorteilhafter Weise einen halben Objektwinkel w von größer oder gleich 31 ° auf (w > 31 °).
Das Objektiv weist ein Öffnungsverhältnis F/# von mindestens 1 .7 und höchstens 2.5 auf, vorteilhaft liegt es im Bereich zwischen 1 .7 und 2.5 (1.7 < F/# < 2.5).
Das in Figur 1 dargestellte Objektiv weist eine kompakte Bauform auf, wobei das Verhältnis der optischen Baulänge SO' des Objektivs zum Bildkreisdurchmesser Bd in der Abbildungsebene IM 1.73 (SO1 / Bd = 1 .73) beträgt, der halbe Objektwinkel w gleich 42° (w = 42°) ist und das Öffnungsverhältnis F/# 2.0 (F/# = 2.0) beträgt. Bei diesem Objektiv bestehen die zuvor beschriebenen Untergruppen G1 bis G5 aus Linsen L1 bis L8, die in Lichtrichtung gesehen die Brechkraftabfolge - + - + + + - - aufweisen.
Die Brennweite f VG der Vordergruppe VG ist durch f'vG/f'ges = +7.7, die Brennweite FMG der Mittelgruppe MG durch f MG^f ges — +2.8 und die Brennweite f HG der Hintergruppe HG durch f'HG/f'ges = +3.4 jeweils bezogen auf eine gegebene Gesamtbrennweite f'ges des Objektivs besonders vorteilhaft definiert.
Die Linse L5 des hinter der Blende BL angeordneten optischen Elements G3 der Mittelgruppe MG ist als konvexe Linse mit in Lichtrichtung gesehen asphärischer ersten und planer zweiten Fläche ausgebildet. Die plane zweite Fläche weist eine diffraktive Brechkraft f'DOE von f'DOE/f'ges = +38.9 auf, die in besonders vorteilhafter Weise die Minimierung des Farbfehlers über den gesamten Entfernungseinstellungsbereich des Objektivs bewirkt. Die plane zweite Fläche ist besonders für die einfache Herstellung einer diffraktiven Struktur geeignet und die asphärische erste Fläche bewirkt einen Ausgleich der monochromatischen Aberrationen über den Entfernungseinstellbereich.
Die Untergruppe G1 der Vordergruppe VG besteht aus zwei Linsen L1 und L2 und weist insgesamt eine Brennweite fGi von f'Gi/f'ges = -485.6 auf.
Die erste Linse L1 weist dabei eine konvex-konkave Form mit negativer Brechkraft auf und ist meniskus-förmig mit sphärisch gekrümmter konvexer und asphärisch gekrümmter konkaver Seite ausgeführt.
Die Untergruppe G2 der Vordergruppe VG hat vorteilhaft eine Brennweite f'G2 von insgesamt f G2/f' ges = +9.5.
Mit den auf diese Weise definierten Brennweiten für die Untergruppen G1 und G2 ist ein Ausgleich der monochromatischen Aberrationen zwischen Bildmitte und Bildfeld gewährleistet.
Die Untergruppe G4 der Hintergruppe HG besteht aus einer bikonvexen Linse L6 und einer bikonkaven Linse L7, beide sind als Duplett, mit insgesamt einer Brennweite fG4Von f G4/f' ges = +3.6 zusammengefasst.
In vorteilhafter Weise hat die Untergruppe G5 der Hintergruppe HG eine Brennweite f G5 von insgesamt f‘ges/f‘G5 = +0.01 und ist als Einzellinse L8 mit konkav konvexer und beidseitig asphärisch ausgeformter Oberfläche ausgebildet.
Mit den auf diese Weise definierten Brennweiten für die Untergruppen G4 und G5 werden die Koma, die astigmatische Differenz und die Verzeichnung im Bildfeld weiter minimiert.
Vorteilhaft weist die Linse L2 der Vordergruppe VG eine Brechzahl n von 2.01 (n = 2.01 ) auf, die Linse L6 der Hintergruppe HG eine Brechzahl von 2.01 (n = 2.01 ) und die Linse L1 der Vordergruppe VG eine Brechzahl von 1 .49 (n = 1 .49) auf, um die Petzvalsumme weiter zu minimieren.
Als besonders vorteilhaft für hohe Fokussiergeschwindigkeiten in Autofokusanwendungen hat sich ein Verhältnis des Volumens V der Fokussiergruppe MG zum Bildkreisdurchmesser Bd in der Abbildungsebene in der dritten Potenz von 0.01 erwiesen (V / Bd3 = 0.01 ).
Für das Ausführungsbeispiel in Figur 1 sind in den nachfolgenden Tabellen mechanische Konstruktionsdaten und optische Parameter für die jeweiligen Linsenelemente angegeben.
Die Konstruktionsdaten sind auf eine Gesamtbrennweite f'ges = 1 mm normiert und können in bekannter Weise, z.B. auf die Gesamtbrennweite f'ges = 24mm für den Kleinbildbereich skaliert werden.
Dabei beziehen sich die Daten auf die in Lichtrichtung aufsteigend nummerierten Flächen der Linsenelemente. Die erste Fläche 1 beschreibt den Luft-Glas-Übergang an Linse L1 und die letzte Fläche 15 den Glas-Luft-Übergang an Linse 8. Die Aperturblende BL ist als plane Fläche 8 angegeben.
Für jede Fläche ist der Scheitelradius r, d.h. der Radius auf der optischen Achse angegeben. In der dritten Spalte ist der Flächentyp angegeben. Mit K02 ist beispielweise die zweite Fläche als asphärisch gekrümmte Fläche und mit H10 die zehnte Fläche als diffraktive Fläche gekennzeichnet. dM bezeichnet die Mittendicke der jeweiligen Linse oder den Abstand zu einer benachbarten Fläche im Scheitelpunkt. Für die zu Fokussierzwecken verschiebbar ausführte Mittelgruppe MG ist der Wert dM als Abstand in der Fokussierstellung auf unendlich angegeben und mit V01 und V02 sind die mit der Fokussierung variablen Abstände gekennzeichnet. ne bezeichnet die Brechzahl für die Fraunhoferlinie e (Wellenlänge 546,0740 nm) und ve die Abbe-Zahl für die Fraunhofer-Linie e. Die Zuordnung der durchnummerierten Flächen zu den jeweiligen
Linsen L1 - L8, den Untergruppen G1 -G5 und den Gruppen VG, MG und HG ist in den letzten drei Spalten angegeben:
Figure imgf000018_0001
In der folgenden Tabelle sind für die oben beim Flächentyp mit K gekennzeichneten asphärischen Flächen die konische Konstante k und die Asphärenkoeffizienten a2 bis a6 und für die mit H gekennzeichnete diffraktive Fläche der Phasenkoeffizient C1 in Exponentialdarstellung angegeben:
Figure imgf000019_0001
Figure imgf000019_0002
Figure imgf000019_0003
Das in Figur 2 dargestellte Objektiv kompakter Bauart, weist ein Verhältnis der optischen Baulänge SO' des Objektivs zum
Bildkreisdurchmesser Bd in der Abbildungsebene IM von 1.73 (SO1 / Bd = 1 .73) auf, der halbe Objektwinkel w beträgt 38° (w = 38°) und das Öffnungsverhältnis beträgt F/# 2.0 (F/# = 2.0).
Bei diesem Objektiv bestehen die zuvor beschriebenen Untergruppen G1 bis G5 aus Linsen L1 bis L8, die in Lichtrichtung gesehen die
Brechkraftabfolge - + - + + + - - aufweisen.
Die Brennweite f VG der Vordergruppe VG ist durch f'vG/f'ges +19.4, die Brennweite f MG der Mittelgruppe MG durch f'MG/f'ges = +2.2 und die Brennweite f HG der Hintergruppe HG durch f'HG/f'ges = +3.8 jeweils bezogen auf eine gegebene Gesamtbrennweite f'ges des Objektivs besonders vorteilhaft definiert.
Die Linse L5 des hinter der Blende BL angeordneten optischen Elements G3 der Mittelgruppe MG ist als konvexe Linse mit in Lichtrichtung gesehen asphärischer ersten und planer zweiten Fläche ausgebildet. Die plane zweite Fläche weist eine diffraktive Brechkraft f'ooE von f'DOE/f'ges = +40.3 auf, die in besonders vorteilhafter Weise die Minimierung des Farbfehlers über den gesamten Entfernungseinstellungsbereich des Objektivs bewirkt. Die plane zweite Fläche ist besonders für die einfache Herstellung einer diffraktiven Struktur geeignet und die asphärische erste Fläche bewirkt einen Ausgleich der monochromatischen Aberrationen über den Entfernungseinstellbereich.
Die Untergruppe G1 der Vordergruppe VG besteht aus zwei Linsen L1 und L2 und weist insgesamt eine Brennweite f'Gi von f'Gi/f'ges = -7.2 auf.
Die erste Linse L1 weist dabei eine konvex-konkave Form mit negativer Brechkraft auf und ist meniskus-förmig mit asphärisch gekrümmter konvexer und asphärisch gekrümmter konkaver Seite ausgeführt.
Die Untergruppe G2 der Vordergruppe VG hat vorteilhaft eine Brennweite f'G2 von insgesamt f G2/f ges = +6.7. Mit den so definierten Brennweiten für die Untergruppen G1 und G2 ist ein Ausgleich der monochromatischen Abberationen zwischen Bildmitte und Bildfeld gewährleistet.
Die Untergruppe G4 der Hintergruppe HG besteht aus einer bikonvexen Linse L6 und einer bikonkaven Linse L7, beide sind als Duplett, mit insgesamt einer Brennweite fG4Von f G4/f ges = +3.0 zusammengefasst.
In vorteilhafter Weise hat die Untergruppe G5 der Hintergruppe HG eine Brennweite f G5 von insgesamt f ges/f'G5 = -0.09 und ist als Einzellinse L8 mit asphärisch konkaver und sphärisch konvex ausgeformter Oberfläche ausgebildet.
Mit den auf diese Weise definierten Brennweiten für die Untergruppen G4 und G5 werden die Koma, die astigmatische Differenz und die Verzeichnung im Bildfeld weiter minimiert.
Vorteilhaft weist die Linse L2 der Vordergruppe VG eine Brechzahl n von 2.01 (n = 2.01 ) auf, die Linse L6 der Hintergruppe HG eine Brechzahl von 2.01 (n = 2.01 ) und die Linse L1 der Vordergruppe VG eine Brechzahl von 1 .49 (n = 1 .49) auf, um die Petzvalsumme weiter zu minimieren.
Als besonders vorteilhaft für hohe Fokussiergeschwindigkeiten in Autofokusanwendungen hat sich ein Verhältnis des Volumens V der Fokussiergruppe MG zum Bildkreisdurchmesser Bd in der Abbildungsebene in der dritten Potenz von 0.02 erwiesen (V / Bd3 = 0.02). Für das Ausführungsbeispiel in Figur 2 sind in den nachfolgenden Tabellen mechanische Konstruktionsdaten und optische Parameter für die jeweiligen Linsenelemente angegeben.
Die Konstruktionsdaten sind auf eine Gesamtbrennweite f'ges = 1 mm normiert und können in bekannter Weise, z.B. auf die Gesamtbrennweite f'ges = 28mm für den Kleinbildbereich skaliert werden.
Dabei beziehen sich die Daten auf die in Lichtrichtung aufsteigend nummerierten Flächen der Linsenelemente. Die erste Fläche 1 beschreibt den Luft-Glas-Übergang an Linse L1 und die letzte Fläche 15 den Glas-Luft-Übergang an Linse 8. Die Aperturblende BL ist als plane Fläche 8 angegeben.
Für jede Fläche ist der Scheitelradius r, d.h. der Radius auf der optischen Achse angegeben. In der dritten Spalte ist der Flächentyp angegeben. Mit K01 ist beispielweise die erste Fläche als asphärisch gekrümmte Fläche und mit H10 die zehnte Fläche als diffraktive Fläche gekennzeichnet. dM bezeichnet die Mittendicke der jeweiligen Linse oder den Abstand zu einer benachbarten Fläche im Scheitelpunkt. Für die zu Fokussierzwecken verschiebbar ausführte Mittelgruppe MG ist der Wert dM als Abstand in der Fokussierstellung auf unendlich angegeben und mit V01 und V02 sind die mit der Fokussierung variablen Abstände gekennzeichnet. ne bezeichnet die Brechzahl für die Fraunhoferlinie e (Wellenlänge 546,0740 nm) und ve die Abbe-Zahl für die Fraunhofer-Linie e.
Die Zuordnung der durchnummerierten Flächen zu den jeweiligen Linsen L1 - L8, den Untergruppen G1 -G5 und den Gruppen VG, MG und HG ist in den letzten drei Spalten angegeben:
Figure imgf000023_0001
In der folgenden Tabelle sind für die oben beim Flächentyp mit K gekennzeichneten asphärischen Flächen die konische Konstante k und die Asphärenkoeffizienten a2 bis a6 und für die mit H gekennzeichnete diffraktive Fläche der Phasenkoeffizient C1 in Exponentialdarstellung angegeben:
Figure imgf000023_0002
Figure imgf000023_0003
Figure imgf000024_0001
Das in Figur 3 dargestellte Objektiv weist eine kompakte Bauform auf, wobei das Verhältnis der optischen Baulänge SO' des Objektivs zum Bildkreisdurchmesser Bd in der Abbildungsebene IM 1.73
(SO1 / Bd = 1 .73) beträgt, der halbe Objektwinkel w gleich 32° (w = 32°) ist und das Öffnungsverhältnis F/# 2.0 (F/# = 2.0) beträgt.
Bei diesem Objektiv bestehen die zuvor beschriebenen Untergruppen G1 bis G5 aus Linsen L1 bis L8, die in Lichtrichtung gesehen die Brechkraftabfolge - + - + + + - - aufweisen.
Die Brennweite f VG der Vordergruppe VG ist durch f'vG/f'ges +23.3, die Brennweite f MG der Mittelgruppe MG durch f MG^f ges — +1 .8 und die Brennweite f HG der Hintergruppe HG durch f'HG/f'ges = +4.5 jeweils bezogen auf eine gegebene Gesamtbrennweite f'ges des Objektivs besonders vorteilhaft definiert.
Die Linse L5 des hinter der Blende BL angeordneten optischen Elements G3 der Mittelgruppe MG ist als konvexe Linse mit in Lichtrichtung gesehen asphärischer ersten und planer zweiten Fläche ausgebildet. Die plane zweite Fläche weist eine diffraktive Brechkraft f'DOE von f'DOE/f'ges = +40.9 auf, die in besonders vorteilhafter Weise die Minimierung des Farbfehlers über den gesamten Entfernungseinstellungsbereich des Objektivs bewirkt. Die plane zweite Fläche ist besonders für die einfache Herstellung einer diffraktiven Struktur geeignet und die asphärische erste Fläche bewirkt einen Ausgleich der monochromatischen Aberrationen über den Entfernungseinstellbereich.
Die Untergruppe G1 der Vordergruppe VG besteht aus zwei Linsen L1 und L2 und weist insgesamt eine Brennweite f'Gi von f'Gi/f'ges = -4.1 auf.
Die erste Linse L1 weist dabei eine konvex-konkave Form mit negativer Brechkraft auf und ist meniskus-förmig mit asphärisch gekrümmter konvexer und sphärisch gekrümmter konkaver Seite ausgeführt.
Die Untergruppe G2 der Vordergruppe VG hat vorteilhaft eine Brennweite f'G2 von insgesamt f G2/f' ges = +4.2.
Mit den so definierten Brennweiten für die Untergruppen G1 und G2 ist ein Ausgleich der monochromatischen Abberationen zwischen Bildmitte und Bildfeld gewährleistet.
Die Untergruppe G4 der Hintergruppe HG besteht aus einer bikonvexen Linse L6 und einer bikonkaven Linse L7, beide sind als Duplett, mit insgesamt einer Brennweite fG4von f G4/f' ges = +3.8 zusammengefasst.
In vorteilhafter Weise hat die Untergruppe G5 der Hintergruppe HG eine Brennweite f G5 von insgesamt f G5/f ges = -0.04 und ist als Einzellinse L8 mit konkav konvexer und beidseitig asphärisch ausgeformter Oberfläche ausgebildet.
Mit den auf diese Weise definierten Brennweiten für die Untergruppen G4 und G5 werden die Koma, die astigmatische Differenz und die Verzeichnung im Bildfeld weiter minimiert.
Vorteilhaft weist die Linse L2 der Vordergruppe VG eine Brechzahl n von 2.06 (n = 2.06) auf, die Linse L6 der Hintergruppe HG eine Brechzahl von 1.91 (n = 1.91 ) und die Linse L1 der Vordergruppe VG eine Brechzahl von 1 .49 (n = 1 .49) auf, um die Petzvalsumme weiter zu minimieren.
Als besonders vorteilhaft für hohe Fokussiergeschwindigkeiten in Autofokusanwendungen hat sich ein Verhältnis des Volumens V der Fokussiergruppe MG zum Bildkreisdurchmesser Bd in der Abbildungsebene in der dritten Potenz von 0.02 erwiesen (V / Bd3 = 0.02).
Für das Ausführungsbeispiel in Figur 3 sind in den nachfolgenden Tabellen mechanische Konstruktionsdaten und optische Parameter für die jeweiligen Linsenelemente angegeben.
Die Konstruktionsdaten sind auf eine Gesamtbrennweite f'ges = 1 mm normiert und können in bekannter Weise, z.B. auf die Gesamtbrennweite f'ges = 35mm für den Kleinbildbereich skaliert werden.
Dabei beziehen sich die Daten auf die in Lichtrichtung aufsteigend nummerierten Flächen der Linsenelemente. Die erste Fläche 1 beschreibt den Luft-Glas-Übergang an Linse L1 und die letzte Fläche 15 den Glas-Luft-Übergang an Linse 8. Die Aperturblende BL ist als plane Fläche 8 angegeben. Für jede Fläche ist der Scheitelradius r, d.h. der Radius auf der optischen Achse angegeben. In der dritten Spalte ist der Flächentyp angegeben. Mit K01 ist beispielweise die erste Fläche als asphärisch gekrümmte Fläche und mit H10 die zehnte Fläche als diffraktive Fläche gekennzeichnet. dM bezeichnet die Mittendicke der jeweiligen Linse oder den Abstand zu einer benachbarten Fläche im Scheitelpunkt. Für die zu Fokussierzwecken verschiebbar ausführte Mittelgruppe MG ist der Wert dM als Abstand in der Fokussierstellung auf unendlich angegeben und mit V01 und V02 sind die mit der Fokussierung variablen Abstände gekennzeichnet. ne bezeichnet die Brechzahl für die Fraunhoferlinie e (Wellenlänge 546,0740 nm) und ve die Abbe-Zahl für die Fraunhofer-Linie e.
Die Zuordnung der durchnummerierten Flächen zu den jeweiligen Linsen L1 - L8, den Untergruppen G1 -G5 und den Gruppen VG, MG und HG ist in den letzten drei Spalten angegeben:
Figure imgf000027_0001
In der folgenden Tabelle sind für die oben beim Flächentyp mit K gekennzeichneten asphärischen Flächen die konische Konstante k und die Asphärenkoeffizienten a2 bis a6 und für die mit H gekennzeichnete diffraktive Fläche der Phasenkoeffizient C1 in Exponentialdarstellung angegeben:
Figure imgf000028_0001
Figure imgf000028_0002
Figure imgf000028_0003
Das in Figur 4 dargestellte Ausführungsbeispiel eines Objektivs fester Brennweite besteht aus drei optischen Baugruppen, einer Vordergruppe
VG positiver Gesamtbrechkraft, einer Mittelgruppe MG positiver Gesamtbrechkraft und einer Hintergruppe HG negativer oder positiver Gesamtbrechkraft, die in Lichtrichtung gesehen vor einer Bildposition IM angeordnet sind. Das Objektiv weist eine normierte Gesamtbrennweite f'ges = 1 mm auf und kann in bekannter Weise z.B. auf die Gesamtbrennweite f'ges = 50mm für den Kleinbildbereich skaliert werden. Zur normierten Darstellung werden die nachfolgenden Zahlenwerte durch Brennweitenverhältnisse angegeben.
Die Brennweite f VG der Vordergruppe VG ist durch den Bereich
+3.4 < fvG/fges +4.9 definiert, die Brennweite FMG der Mittelgruppe liegt im Bereich
+0.9 < f'MG/f'ges ^ +1.2 und die Brennweite f HG der Hintergruppe HG liegt im Bereich
-0.0949 < f'ges/f'HG +0.0299.
Die Vordergruppe VG, besteht aus einer Untergruppe G1 , die Mittelgruppe MG aus einem optischen Element G2 und die Hintergruppe HG weist zwei Untergruppen G3 und G4 auf. Zwischen einer ersten Linse L4 und einer zweiten Linse L5 der Untergruppe G3 ist eine Aperturblende BL mit veränderbarem Öffnungsdurchmesser angeordnet. Die Mittelgruppe MG ist definitionsgemäß im Blendennahbereich angeordneten, das heißt, zwischen Aperturblende BL und der Mittelgruppe MG ist nur ein weiteres optisches Element, nämlich Linse L4 vorgesehen. Die Mittelgruppe MG besteht aus einem optischen Element G2 und ist von der dargestellten Unendlichposition zu Fokussierungszwecken auf einen Fokusnahbereich, entgegen der Lichtrichtung (d.h. in Richtung des dargestellten Pfeils) in Richtung der Vordergruppe VG bewegbar gelagert.
Bei diesem Objektiv bestehen die zuvor beschriebenen Untergruppen G1 bis G4 aus Linsen L1 bis L9, die in Lichtrichtung gesehen die Brechkraftabfolge
Figure imgf000029_0001
aufweisen.
Die Brennweite f VG der Vordergruppe VG ist durch f'vG/f'ges = +4.4, die Brennweite f MG der Mittelgruppe MG durch f MG^f ges — +1 .0 und die Brennweite f HG der Hintergruppe HG durch f'ges/f'HG = +0.0271 jeweils bezogen auf eine gegebene Gesamtbrennweite f'ges des Objektivs besonders vorteilhaft definiert.
In vorteilhafter Weise ist die Brechkraft FMG der Mittelgruppe MG einerseits nicht zu klein zu wählen, weil ansonsten der Fokushub, von Unendlichfokussierung auf Nahfokussierung länger wird, andererseits darf die Brechkraft auch nicht zu groß gewählt werden, da sonst das Volumen der Linse ansteigt. Beide Effekte wirken sich nachteilig aus und würden dazu führen, dass die Fokussierung des Objektivs zu langsam und für Autofokusanwendungen nicht mehr geeignet wäre.
Erfindungsgemäß ist daher die Brennweite FMG der Mittelgruppe MG, wie bereits erwähnt mit f MG^f ges — +1 .0 zu wählen.
Zur Minimierung des Farbfehlers über den gesamten Entfernungseinstellungsbereich des Objektivs, ist das optische Element G2 der Mittelgruppe MG als Linse L3 mit einer Fläche diffraktiver Brechkraft f DOE innerhalb der Grenzen
+25.5 < f'DOE/f'ges +33.2 ausgebildet.
Erfindungsgemäß wird die einfache Herstellung der für die diffraktive Brechkraft erforderlichen diffraktiven Struktur auf einer ebenen, zumindest nur schwach gekrümmten Fläche ermöglicht. In vorteilhafter Weise ist daher der Scheitelradius TDOE der diffraktiven Fläche der Linse L3 der Mittelgruppe (MG) plan innerhalb der Grenzen:
-0.1020 < f'MG/rDoE +0.1127.
In besonders vorteilhafter Weise ist die Linse L3 des im Nahbereich der Blende BL angeordneten optischen Elements G2 der Mittelgruppe MG als konvexe Linse mit in Lichtrichtung gesehen asphärischer ersten und planer zweiten Fläche ausgebildet. Die plane zweite Fläche weist eine diffraktive Brechkraft f DOE von f'DOE/f'ges = +27.4 auf, die in besonders vorteilhafter Weise die Minimierung des Farbfehlers über den gesamten Entfernungseinstellungsbereich des Objektivs bewirkt. Die plane zweite Fläche ist besonders für die einfache Herstellung einer diffraktiven Struktur geeignet und die asphärische erste Fläche bewirkt einen Ausgleich der monochromatischen Aberrationen über den Entfernungseinstellbereich.
Bei einer Entfernungseinstellung von Unendlich in den Fokusnahbereich liegt der paraxiale Abbildungsmaßstab ß'MG der Mittelgruppe MG vorteilhaft innerhalb der Grenzen
+0.090 - ß'MG - +0.275.
Im Bereich von
+0.103 ß'MG < +0.223 lässt sich eine gute Korrektion der Abberationen über den gesamten Einstellbereich erzielen.
Die Untergruppe G1 der Vordergruppe VG besteht aus zwei Gliedern L1 und L2 und weist insgesamt positive Brechkraft auf. Die Brennweite f'd der Untergruppe G1 ist mit f Gl/f ges =+4.4 definiert.
Die mindestens eine erste Linse L1 mit positiver Brechkraft kann konvex-plan oder bi-konvex ausgebildet sein. Eine bevorzugte Ausführung der Linse L1 ist konvex-konkav ausgebildet und mit ihrer konkaven Seite zu der konvexen Seite der meniskusförmig ausgebildeten konvex-konkaven Linse L2 mit negativer Brechkraft angeordnet. Im Ausführungsbeispiel ist die konvexe Fläche der Linse L1 asphärisch gekrümmt. Auf diese Weise wird vorteilhaft eine Korrektion der monochromatischen Aberrationen in der Bildmitte erreicht.
Die Untergruppe G3 der Hintergruppe HG weist drei Glieder L4, L5 und L6 mit mindestens einer Linse positiver und mindestens einer Linse negativer Brechkraft und mit insgesamt positiver Brechkraft auf. Sie besteht vorteilhaft aus einer konvex-konkaven Linse L4 negativer Brechkraft, einer bikonkaven Linse L5 negativer Brechkraft und einer bikonvexen Linse L6 mit positiver Brechkraft. L4 ist mit ihrer konvexen ersten Seite zur Mittelgruppe MG hin angeordnet. Im Ausführungsbeispiel sind die Glieder L5 und L6 als Einzellinsen ausgeführt und als Duplett zusammengefasst.
Die Untergruppe G4 der Hintergruppe HG weist negative Gesamtbrechkraft auf und besteht aus mindestens einer Linse positiver Brechkraft und einer letzten Linse negativer Brechkraft deren erste Fläche konkav zur Untergruppe G3 angeordnet ist. Im Ausführungsbeispiel besteht G4 aus einer bikonkaven Linse L7, die mit einer bikonvexen Linse L8 zu einem Duplett zusammengefasst ist. Eine meniskusförmig ausgebildete letzte Linse L9 negativer Brechkraft ist mit ihrer konvexen Fläche zur Bildposition IM angeordnet. Die Brennweite fG3 der Untergruppe G3 ist vorteilhaft mit f G3/f ges = +3.5 definiert, während die Brennweite fG4 der Untergruppe G4 vorteilhaft mit f G4/f' ges = -4.1 gewählt ist.
In vorteilhafter Weise lassen sich mit den Merkmalen der Untergruppen G3 und G4 ein Ausgleich der monochromatischen Aberrationen zwischen Bildmitte und Bildfeld erreichen.
Vorteilhaft weist die Brechzahl n mindestens einer der Linsen positiver Brechkraft der Vordergruppe VG einen Wert größer oder gleich 1 .80 (n > 1.80) auf, mit n = 1.91 erfolgt eine Minimierung der Petzvalsumme.
Weiter vorteilhaft ist die Brechzahl n mindestens einer der Linsen positiver Brechkraft der Hintergruppe HG größer oder gleich 1 .85 (n > 1 .85) gewählt, mit n = 1 .96 wird die Petzvalsumme weiter minimiert.
Eine vorteilhaft gewählte Abbe-Zahl v bei mindestens einer der Linsen negativer Brechkraft der Vordergruppe VG von kleiner oder gleich 25 (v < 25) und insbesondere von gleich 17 (v < 17) dient dem Ausgleich von Farbfehlern.
Vorteilhaft ist mindestens eine Linse der Vordergruppe VG einseitig oder beidseitig asphärisch ausgebildet, wobei bei einer Linse positiver Brechkraft vorzugsweise die Fläche zur Objektseite und bei einer Linse negativer Brechkraft vorzugsweise die Fläche zur Bildseite die asphärische Oberfläche aufweist.
Im Ausführungsbeispiel weist die in Lichtrichtung erste Fläche der Linse L1 eine asphärisch geformte Oberfläche auf. Auf diese Weise werden monochromatische Aberrationen in der Bildmitte minimiert. Vorteilhaft für eine hohe Fokussiergeschwindigkeit ist eine leichte Fokussiergruppe MG. Dabei hat sich ein Verhältnis des Volumens V der Fokussiergruppe MG zum Bildkreisdurchmesser Bd in der Abbildungsebene in der dritten Potenz kleiner als 0.1 (V / Bd3 < 0.1 ) als besonders vorteilhaft erwiesen. Auf diese Weise ist die
Fokussiergruppe leicht und ermöglicht eine schnelle Fokussierung. Eine leichte Fokussiergruppe hat gleichzeitig den Vorteil eines geringen Stromverbrauchs bei Autofokusanwendungen und ermöglicht eine leise Fokussierung. Der Bildkreisdurchmesser Bd ist dem Fachmann auch als Bilddiagonale eines digitalen Bildaufnahmesensors Bs bekannt und wird anhand der Fig. 10 genauer beschrieben.
Weiter vorteilhaft, ist für eine kompakte Bauform das Verhältnis der optischen Baulänge SO' des Objektivs zum Bildkreisdurchmesser Bd in der Abbildungsebene IM kleiner oder gleich 2.0 (SO1 / Bd < 2.0), wobei die optische Baulänge SO' als der Abstand vom Linsenscheitel der in Lichtrichtung ersten Linsenfläche der Linse L1 auf der optischen Achse bis zur Bildposition in der Abbildungsebene IM definiert ist.
Ein mit den zuvor beschriebenen Merkmalen konstruiertes Objektiv weist in vorteilhafter Weise einen halben Objektwinkel w im Bereich zwischen 21 ° und 26° (21 ° < w < 26°).
Das Objektiv weist ein Öffnungsverhältnis F/# von mindestens 1 .7 und höchstens 2.5 auf (1 .7 < F/# < 2.5°).
Das in Figur 4 dargestellte Objektiv weist eine besonders kompakte Bauform auf, indem das Verhältnis der optischen Baulänge SO' des Objektivs zum Bildkreisdurchmesser Bd in der Abbildungsebene IM 1 .73 (SO1 / Bd = 1 .73) beträgt, der halbe Objektwinkel w gleich 23° (w = 23°) ist und das Öffnungsverhältnis F/# 2.0 (F/# = 2.0) beträgt. Als besonders vorteilhaft für hohe Fokussiergeschwindigkeiten in Autofokusanwendungen hat sich ein Verhältnis des Volumens V der Fokussiergruppe MG zum Bildkreisdurchmesser Bd in der Abbildungsebene in der dritten Potenz von 0.02 erwiesen (V / Bd3 = 0.02).
Für das Ausführungsbeispiel in Figur 4 sind in den nachfolgenden Tabellen mechanische Konstruktionsdaten und optische Parameter für die jeweiligen Linsenelemente angegeben.
Die Konstruktionsdaten sind auf eine Gesamtbrennweite f'ges = 1 mm normiert und können in bekannter Weise, z.B. auf die Gesamtbrennweite f'ges = 50mm für den Kleinbildbereich skaliert werden.
Dabei beziehen sich die Daten auf die in Lichtrichtung aufsteigend nummerierten Flächen der Linsenelemente. Die erste Fläche 1 beschreibt den Luft-Glas-Übergang an Linse L1 und die letzte Fläche 17 den Glas-Luft-Übergang an Linse L9. Die Aperturblende BL ist als plane Fläche 9 angegeben.
Für jede Fläche ist der Scheitelradius r, d.h. der Radius auf der optischen Achse angegeben. In der dritten Spalte ist der Flächentyp angegeben. Mit K01 ist beispielweise die erste Fläche als asphärisch gekrümmte Fläche und mit H06 die sechste Fläche als diffraktive Fläche gekennzeichnet. dM bezeichnet die Mittendicke der jeweiligen Linse oder den Abstand zu einer benachbarten Fläche im Scheitelpunkt. Für die zu Fokussierzwecken verschiebbar ausgeführte Mittelgruppe MG ist der Wert dM als Abstand in der Fokussierstellung auf unendlich angegeben und mit V01 und V02 sind die mit der Fokussierung variablen Abstände gekennzeichnet. ne bezeichnet die Brechzahl für die Fraunhoferlinie e (Wellenlänge 546,0740 nm) und ve die Abbe-Zahl für die Fraunhofer-Linie e.
Die Zuordnung der durchnummerierten Flächen zu den jeweiligen Linsen L1 - L9, den Untergruppen G1 -G4 und den Gruppen VG, MG und HG ist in den letzten drei Spalten angegeben:
Figure imgf000036_0001
In der folgenden Tabelle sind für die oben beim Flächentyp mit K gekennzeichneten asphärischen Flächen die konische Konstante k und die Asphärenkoeffizienten a2 bis a6 und für die mit H06 gekennzeichnete diffraktive Fläche der Phasenkoeffizient C1 in Exponentialdarstellung angegeben:
Figure imgf000037_0001
Figure imgf000037_0002
Ein in Figur 5 dargestelltes Ausführungsbeispiel eines Objektivs fester Brennweite besteht aus drei optischen Baugruppen, einer Vordergruppe VG positiver Gesamtbrechkraft, einer Mittelgruppe MG positiver
Gesamtbrechkraft und einer Hintergruppe HG negativer oder positiver Gesamtbrechkraft, die in Lichtrichtung gesehen vor einer Bildposition IM angeordnet sind.
Das Objektiv weist eine normierte Gesamtbrennweite f'ges = 1 mm auf und kann in bekannter Weise z. B. auf die Gesamtbrennweite f'ges = 50mm für den Kleinbildbereich skaliert werden.
Zur normierten Darstellung werden die nachfolgenden Zahlenwerte durch Brennweitenverhältnisse angegeben.
Die Brennweite f VG der Vordergruppe VG ist durch den Bereich +3.4 < f'vG/f'ges +4.9 definiert, die Brennweite f MG der Mittelgruppe liegt im Bereich
+0.9 < fMG/fges ^ +1.2 und die Brennweite f HG der Hintergruppe HG liegt im Bereich
-0.0949 < f'ges/f'HG +0.0299. Die Vordergruppe VG, besteht aus einer Untergruppe G1 , die Mittelgruppe MG aus einem optischen Element G2 und die Hintergruppe HG weist zwei Untergruppen G3 und G4 auf. Vor einer ersten Linse L4 der Untergruppe G3 ist eine Aperturblende BL mit veränderbarem Öffnungsdurchmesser angeordnet. Die Mittelgruppe MG ist definitionsgemäß im Blendennahbereich in Lichtrichtung gesehen vor der Aperturblende BL vorgesehen. Die Mittelgruppe MG besteht aus einem optischen Element G2 und ist von der dargestellten Unendlichposition zu Fokussierungszwecken auf einen Fokusnahbereich, entgegen der Lichtrichtung (d.h. in Richtung des dargestellten Pfeils) in Richtung der Vordergruppe VG bewegbar gelagert.
Bei diesem Objektiv bestehen die zuvor beschriebenen Untergruppen G1 bis G4 aus Linsen L1 bis L7, die in Lichtrichtung gesehen die Brechkraftabfolge + - + - + + - aufweisen.
Die Brennweite fVG der Vordergruppe VG ist durch f'vG/f'ges = +3.8, die Brennweite f MG der Mittelgruppe MG durch fMG/f'ges = +1-1 und die Brennweite f HG der Hintergruppe HG durch f'ges/f'HG = -0.0858 jeweils bezogen auf eine gegebene Gesamtbrennweite f'ges des Objektivs besonders vorteilhaft definiert.
In vorteilhafter Weise ist die Brechkraft FMG der Mittelgruppe MG einerseits nicht zu klein zu wählen, weil ansonsten der Fokushub, von Unendlichfokussierung auf Nahfokussierung länger wird, andererseits darf die Brechkraft auch nicht zu groß gewählt werden, da sonst das Volumen der Linse ansteigt. Beide Effekte wirken sich nachteilig aus und würden dazu führen, dass die Fokussierung des Objektivs zu langsam und für Autofokusanwendungen nicht mehr geeignet wäre.
Erfindungsgemäß ist daher die Brennweite FMG der Mittelgruppe MG, wie bereits erwähnt mit fMG/f'ges = +1 -1 zu wählen.
Zur Minimierung des Farbfehlers über den gesamten Entfernungseinstellungsbereich des Objektivs, ist das optische Element G2 der Mittelgruppe MG als Linse L3 mit einer Fläche diffraktiver Brechkraft f DOE innerhalb der Grenzen
+25.5 < f'DOE/f'ges +33.2 ausgebildet.
Erfindungsgemäß wird die einfache Herstellung der für die diffraktive Brechkraft erforderlichen diffraktiven Struktur auf einer ebenen, zumindest nur schwach gekrümmten Fläche ermöglicht. In vorteilhafter Weise ist daher der Scheitelradius TDOE der diffraktiven Fläche der Linse L3 der Mittelgruppe (MG) plan innerhalb der Grenzen:
-0.1020 < f'MG/rDoE +0.1127.
In besonders vorteilhafter Weise ist die Linse L3 des im Nahbereich der Blende BL angeordneten optischen Elements G2 der Mittelgruppe MG als konvexe Linse mit in Lichtrichtung gesehen asphärischer ersten und planer zweiten Fläche ausgebildet. Die plane zweite Fläche weist eine diffraktive Brechkraft f DOE von f'DOE/f'ges = +29.2 auf, die in besonders vorteilhafter Weise die Minimierung des Farbfehlers über den gesamten Entfernungseinstellungsbereich des Objektivs bewirkt. Die plane zweite Fläche ist besonders für die einfache Herstellung einer diffraktiven Struktur geeignet und die asphärische erste Fläche bewirkt einen Ausgleich der monochromatischen Aberrationen über den Entfernungseinstellbereich.
Bei einer Entfernungseinstellung von Unendlich in den Fokusnahbereich liegt der paraxiale Abbildungsmaßstab ß'MG der Mittelgruppe MG vorteilhaft innerhalb der Grenzen
+0.090 - ß'MG - +0.275.
Im Bereich von
+0.139 ß'MG < +0.254 lässt sich eine gute Korrektion der Abberationen über den gesamten Einstellbereich erzielen.
Die Untergruppe G1 der Vordergruppe VG besteht aus zwei Gliedern L1 und L2 und weist insgesamt positive Brechkraft auf. Die Brennweite f'd der Untergruppe G1 ist mit f Gl/f ges =3.8 definiert.
Die mindestens eine erste Linse L1 mit positiver Brechkraft kann konvex-plan oder bi-konvex ausgebildet sein. Eine bevorzugte Ausführung der Linse L1 ist konvex-konkav ausgebildet und mit ihrer konkaven Seite zu der konvexen Seite der meniskusförmig ausgebildeten konvex-konkaven Linse L2 mit negativer Brechkraft angeordnet. Im Ausführungsbeispiel ist die konvexe Fläche der Linse L1 asphärisch gekrümmt. Auf diese Weise wird vorteilhaft eine Korrektion der monochromatischen Aberrationen in der Bildmitte erreicht. Die Untergruppe G3 der Hintergruppe HG weist zwei Glieder L4 und L5 mit mindestens einer Linse positiver und mindestens einer Linse negativer Brechkraft und mit insgesamt positiver Brechkraft auf. Sie besteht vorteilhaft aus einer bikonkaven Linse L4 negativer Brechkraft und einer bikonvexen Linse L5 mit positiver Brechkraft. Im Ausführungsbeispiel sind die Glieder L4 und L5 als Einzellinsen ausgeführt.
Die Untergruppe G4 der Hintergruppe HG weist negative Gesamtbrechkraft auf und besteht aus mindestens einer Linse positiver Brechkraft und einer letzten Linse negativer Brechkraft deren erste Fläche konkav zur Untergruppe G3 angeordnet ist. Im Ausführungsbeispiel besteht G4 aus einer konkav-konvexen Linse L6 und einer meniskusförmig ausgebildete letzte Linse L7 negativer Brechkraft die mit ihrer konvexen Fläche zu Bildposition IM angeordnet.
Die Brennweite fG3 der Untergruppe G3 ist vorteilhaft mit f G3/f ges = +4.1 definiert, während die Brennweite fG4 der Untergruppe G4 vorteilhaft mit f G4/f' ges = -3.21 gewählt ist.
In vorteilhafter Weise lassen sich mit den Merkmalen der Untergruppen G3 und G4 ein Ausgleich der monochromatischen Aberrationen zwischen Bildmitte und Bildfeld erreichen.
Vorteilhaft weist die Brechzahl n mindestens einer der Linsen positiver Brechkraft der Vordergruppe VG einen Wert größer oder gleich 1 .80 (n > 1.80) auf, mit n = 1.96 erfolgt eine Minimierung der Petzvalsumme. Weiter vorteilhaft ist die Brechzahl n mindestens einer der Linsen positiver Brechkraft der Hintergruppe HG größer oder gleich 1.85 (n > 1 .85) gewählt, mit n = 1 .89 wird die Petzvalsumme weiter minimiert.
Eine vorteilhaft gewählte Abbe-Zahl v bei mindestens einer der Linsen negativer Brechkraft der Vordergruppe VG von kleiner oder gleich 25 (v < 25) und insbesondere von gleich 23 (v < 23) dient dem Ausgleich von Farbfehlern.
Vorteilhaft ist mindestens eine Linse der Vordergruppe VG einseitig oder beidseitig asphärisch ausgebildet, wobei bei einer Linse positiver Brechkraft vorzugsweise die Fläche zur Objektseite und bei einer Linse negativer Brechkraft vorzugsweise die Fläche zur Bildseite die asphärische Oberfläche aufweist.
Im Ausführungsbeispiel weist die in Lichtrichtung erste Fläche der Linse L1 eine asphärisch geformte Oberfläche auf. Auf diese Weise werden monochromatische Aberrationen in der Bildmitte minimiert.
Für einen Ausgleich der monochromatischen Aberrationen im Bildfeld ist die letzte Linse der Hintergruppe HG vorteilhaft einseitig oder beidseitig mit einer asphärischen Fläche ausgeformt.
Im Ausführungsbeispiel weist die in Lichtrichtung erste, konkav geformte Linsenfläche der Linse L7 eine asphärische Form auf.
Vorteilhaft für eine hohe Fokussiergeschwindigkeit ist eine leichte Fokussiergruppe MG. Dabei hat sich ein Verhältnis des Volumens V der Fokussiergruppe MG zum Bildkreisdurchmesser Bd in der Abbildungsebene in der dritten Potenz kleiner als 0.1 (V / Bd3 < 0.1 ) als besonders vorteilhaft erwiesen. Auf diese Weise ist die
Fokussiergruppe leicht und ermöglicht eine schnelle Fokussierung. Eine leichte Fokussiergruppe hat gleichzeitig den Vorteil eines geringen Stromverbrauchs bei Autofokusanwendungen und ermöglicht eine leise Fokussierung. Der Bildkreisdurchmesser Bd ist dem Fachmann auch als Bilddiagonale eines digitalen Bildaufnahmesensors Bs bekannt und wird nachfolgend anhand der Fig. 10 genauer beschrieben.
Weiter vorteilhaft, ist für eine kompakte Bauform das Verhältnis der optischen Baulänge SO' des Objektivs zum Bildkreisdurchmesser Bd in der Abbildungsebene IM kleiner oder gleich 2.0 (SO1 / Bd < 2.0), wobei die optische Baulänge SO' als der Abstand vom Linsenscheitel der in Lichtrichtung ersten Linsenfläche der Linse L1 auf der optischen Achse bis zur Bildposition IM definiert ist.
Ein mit den zuvor beschriebenen Merkmalen konstruiertes Objektiv weist in vorteilhafter Weise einen halben Objektwinkel w im Bereich zwischen 21 ° und 26° (21 ° < w < 26°) auf.
Das Objektiv weist ein Öffnungsverhältnis F/# von mindestens 1.7 und höchstens 2.5 auf (1.7 < F/# < 2.5°).
Das in Figur 5 dargestellte Objektiv weist eine besonders kompakte Bauform auf, indem das Verhältnis der optischen Baulänge SO' des Objektivs zum Bildkreisdurchmesser Bd in der Abbildungsebene IM 1 .73 (SO1 / Bd = 1 .73) beträgt, der halbe Objektwinkel w gleich 23° (w = 23°) ist und das Öffnungsverhältnis F/# 2.0 (F/# = 2.0) beträgt.
Als besonders vorteilhaft für hohe Fokussiergeschwindigkeiten in Autofokusanwendungen hat sich ein Verhältnis des Volumens V der Fokussiergruppe MG zum Bildkreisdurchmesser Bd in der Abbildungsebene in der dritten Potenz von 0.01 erwiesen (V / Bd3 = 0.01 ). Für das Ausführungsbeispiel in Figur 5 sind in den nachfolgenden Tabellen mechanische Konstruktionsdaten und optische Parameter für die jeweiligen Linsenelemente angegeben.
Die Konstruktionsdaten sind auf eine Gesamtbrennweite f'ges = 1 mm normiert und können in bekannter Weise, z.B. auf die Gesamtbrennweite f'ges = 50mm für den Kleinbildbereich skaliert werden.
Dabei beziehen sich die Daten auf die in Lichtrichtung aufsteigend nummerierten Flächen der Linsenelemente. Die erste Fläche 1 beschreibt den Luft-Glas-Übergang an Linse L1 und die letzte Fläche 15 den Glas-Luft-Übergang an Linse L7. Die Aperturblende BL ist als plane Fläche 7 angegeben.
Für jede Fläche ist der Scheitelradius r, d.h. der Radius auf der optischen Achse angegeben. In der dritten Spalte ist der Flächentyp angegeben. Mit K01 ist beispielweise die erste Fläche als asphärisch gekrümmte Fläche und mit H06 die sechste Fläche als diffraktive Fläche gekennzeichnet. dM bezeichnet die Mittendicke der jeweiligen Linse oder den Abstand zu einer benachbarten Fläche im Scheitelpunkt. Für die zu Fokussierzwecken verschiebbar ausgeführte Mittelgruppe MG ist der Wert dM als Abstand in der Fokussierstellung auf unendlich angegeben und mit V01 und V02 sind die mit der Fokussierung variablen Abstände gekennzeichnet. ne bezeichnet die Brechzahl für die Fraunhoferlinie e (Wellenlänge 546,0740 nm) und ve die Abbe-Zahl für die Fraunhofer-Linie e.
Die Zuordnung der durchnummerierten Flächen zu den jeweiligen Linsen L1 - L9, den Untergruppen G1 -G4 und den Gruppen VG, MG und HG ist in den letzten drei Spalten angegeben:
Figure imgf000045_0001
In der folgenden Tabelle sind für die oben beim Flächentyp mit K gekennzeichneten asphärischen Flächen die konische Konstante k und die Asphärenkoeffizienten a2 bis a7 und für die mit H06 gekennzeichnete diffraktive Fläche der Phasenkoeffizient C1 in
Exponentialdarstellung angegeben:
Figure imgf000045_0002
Figure imgf000045_0003
Figure imgf000045_0004
Das in Figur 6 dargestellte Ausführungsbeispiel eines Objektivs fester Brennweite besteht aus drei optischen Baugruppen, einer Vordergruppe VG positiver Gesamtbrechkraft, einer Mittelgruppe MG positiver Gesamtbrechkraft und einer Hintergruppe HG positiver Gesamtbrechkraft, die in Lichtrichtung gesehen vor einer Bildposition IM angeordnet sind.
Das Objektiv weist eine normierte Gesamtbrennweite f'ges = 1 mm auf und kann in bekannter Weise z.B. auf die Gesamtbrennweite f'ges = 75mm für den Kleinbildbereich skaliert werden.
Zur normierten Darstellung werden die nachfolgenden Zahlenwerte durch Brennweitenverhältnisse angegeben.
Die Brennweite f VG der Vordergruppe VG ist durch den Bereich
+1 .4 < f'vG/f'ges +2.2 definiert, die Brennweite f MG der Mittelgruppe liegt im Bereich
+0.5 f'MG/f'ges - +1 0 und die positive oder negativer Brennweite FHG der Hintergruppe HG liegt im betragsmäßigen Bereich
2.3 < |f HG/f ges| +3.8.
Die Vordergruppe VG, besteht aus drei Linsenelementen L1 , L2 und L3, die Mittelgruppe MG aus einem optischen Element L4 und die Hintergruppe HG weist zwei Untergruppen G3 und G4 auf. Zwischen der Mittelgruppe MG und der Hintergruppe HG ist eine Aperturblende BL mit veränderbarem Öffnungsdurchmesser angeordnet. Die Mittelgruppe MG ist definitionsgemäß im Blendennahbereich, das heißt, zwischen Aperturblende BL und der Mittelgruppe MG ist höchsten ein, im Ausführungsbeispiel kein weiteres optisches Element angeordnet. Die Mittelgruppe MG ist von der dargestellten Unendlichposition zu Fokussierungszwecken auf einen Fokusnahbereich, entgegen der Lichtrichtung (d.h. in Richtung des dargestellten Pfeils) in Richtung der Vordergruppe VG bewegbar gelagert.
Bei diesem Objektiv bestehen die zuvor beschriebenen Gruppen VG, MG und HG aus Linsen L1 bis L9, die in Lichtrichtung gesehen die Brechkraftabfolge + + - + - + - + - aufweisen.
Die Brennweite f VG der Vordergruppe VG ist durch f'vG/f'ges = +2.0, die Brennweite f MG der Mittelgruppe MG durch f MG^f ges — +0.9 und die positive oder negative Brennweite FHG der Hintergruppe HG durch
If f gesl = 3.4 jeweils bezogen auf eine gegebene Gesamtbrennweite f'ges des Objektivs besonders vorteilhaft definiert.
In vorteilhafter Weise ist die Brechkraft FMG der Mittelgruppe MG einerseits nicht zu klein zu wählen, weil ansonsten der Fokushub, von Unendlichfokussierung auf Nahfokussierung länger wird, andererseits darf die Brechkraft auch nicht zu groß gewählt werden, da sonst das Volumen der Linse ansteigt. Beide Effekte wirken sich nachteilig aus und würden dazu führen, dass die Fokussierung des Objektivs zu langsam und für Autofokusanwendungen nicht mehr geeignet wäre.
Erfindungsgemäß ist daher die Brennweite FMG der Mittelgruppe MG, wie bereits erwähnt mit f MG^f ges — +0.9 zu wählen.
Zur Minimierung des Farbfehlers über den gesamten Entfernungseinstellungsbereich des Objektivs, ist das optische Element der Mittelgruppe MG als Linse L4 mit einer Fläche diffraktiver Brechkraft f DOE innerhalb der Grenzen
+14.9 < f'DOE/f'ges +24.9 ausgebildet.
Erfindungsgemäß wird die einfache Herstellung der für die diffraktive Brechkraft erforderlichen diffraktiven Struktur auf einer ebenen, zumindest nur schwach gekrümmten Fläche ermöglicht. In vorteilhafter Weise ist daher der Scheitelradius TDOE der diffraktiven Fläche der Linse L4 der Mittelgruppe MG mit Brennweite FMG in diesem Ausführungsbeispiel mit f'iviG/rDOE = 0.2849 bzw.
TDOE ^ 3.159 mm als für die erfinderischen Zwecke nahezu plan definiert.
In besonders vorteilhafter Weise ist die Linse L4 der im Nahbereich der Blende BL angeordneten Mittelgruppe MG als konvexe Linse positiver Brechkraft mit in Lichtrichtung gesehen asphärischer ersten und nahezu planer zweiten Fläche ausgebildet. Die nahezu plane zweite Fläche weist eine diffraktive Brechkraft f DOE von f'DOE/f'ges = +22.5 auf, die in besonders vorteilhafter Weise die Minimierung des Farbfehlers über den gesamten Entfernungseinstellungsbereich des Objektivs bewirkt. Die nahezu plane zweite Fläche ist besonders für die einfache Herstellung einer diffraktiven Struktur geeignet und die asphärische erste Fläche bewirkt einen Ausgleich der monochromatischen Aberrationen über den Entfernungseinstellbereich.
Bei einer Entfernungseinstellung von Unendlich in den Fokusnahbereich liegt der paraxiale Abbildungsmaßstab ß'MG der Mittelgruppe MG vorteilhaft innerhalb der Grenzen
+0.254 - ß'MG - +0.415.
Im Bereich von
+0.266 ß'MG < +0.396 lässt sich eine gute Korrektion der Abberationen über den gesamten Einstellbereich erzielen.
Die Vordergruppe VG besteht aus mindestens einer erste Linse L1 mit positiver Brechkraft und einer letzten Linse negativer Brechkraft mit in Lichtrichtung erster konkaver Seite.
Im Ausführungsbeispiel ist die Vordergruppe VG aus drei Linsen L1 , L2 und L3 gebildet und weist insgesamt positive Brechkraft auf. Die Linsen L1 und L2 sind als konvex-konkave oder konvex-plane Linsen jeweils positiver Brechkraft und die Linse L3 meniskusförmig als konvexkonkave Linse negativer Brechkraft ausgebildet. Auf diese Weise wird vorteilhaft eine Korrektion der monochromatischen Aberrationen in der Bildmitte erreicht.
Die Untergruppe G3 der Hintergruppe HG weist negative Brechkraft auf, besteht aus mindestens einer ersten Linse negativer Brechkraft und einer letzten Linse positiver Brechkraft. Im Ausführungsbeispiel besteht sie aus den Linsengliedern L5 und L6. Die Linse L5 ist in vorteilhafter Weise als plan-konkave Linse negativer Brechkraft mit zur Aperturblende BL, bzw. der Mittelgruppe MG angeordneter Planfläche ausgebildet und die Linse L6 ist als bikonvexe Linse positiver Brechkraft ausgeführt.
Die Untergruppe G4 der Hintergruppe HG weist positive Gesamtbrechkraft auf und besteht aus mindestens einer vorletzten Linse positiver Brechkraft und einer letzten Linse negativer Brechkraft deren erste Fläche konkav zur Untergruppe G3 angeordnet ist. Im Ausführungsbeispiel besteht die Untergruppe G4 aus einer bikonkaven Linse L7 negativer Brechkraft, einer bikonvexen Linse L8 positiver Brechkraft und einer meniskusförmig ausgebildeten letzten Linse L9 negativer Brechkraft, die mit ihrer konvexen Fläche zur Bildposition IM angeordnet ist.
Die Brennweite fG3 der Untergruppe G3 ist vorteilhaft mit f G3/f ges = -2.8 definiert, während die Brennweite fG4 der Untergruppe G4 vorteilhaft mit f G4/f' ges = +9.7 gewählt ist.
In vorteilhafter Weise lassen sich mit den Merkmalen der Untergruppen G3 und G4 ein Ausgleich der monochromatischen Aberrationen zwischen Bildmitte und Bildfeld erreichen.
Vorteilhaft weist die Brechzahl n mindestens einer der Linsen positiver Brechkraft der Vordergruppe VG einen Wert größer oder gleich 1 .85 (n > 1.85) auf, mit n = 1.92 erfolgt eine Minimierung der Petzvalsumme.
Eine vorteilhaft gewählte Abbe-Zahl v bei mindestens einer der Linsen positiver Brechkraft der Vordergruppe VG von größer oder gleich 60 (v > 60) und insbesondere von gleich 71 (v = 71 ) dient dem Ausgleich bzw. der Minimierung von Farbfehlern. Weiter vorteilhaft ist die Brechzahl n mindestens einer der Linsen negativer Brechkraft der Vordergruppe VG kleiner oder gleich 1 .75 (n < 1 .75) gewählt, mit n = 1 .70 wird die Petzvalsumme minimiert.
Vorteilhaft ist die letzte Linse der Hintergruppe HG einseitig oder beidseitig asphärisch ausgebildet. Im Ausführungsbeispiel ist die letzte Linse L9 einseitig asphärisch ausgeführt, wobei die in Lichtrichtung erste, konkave Fläche der Linse L9 eine asphärisch geformte Oberfläche aufweist. Auf diese Weise werden monochromatische Aberrationen im Bildfeld minimierrt.
Vorteilhaft für eine hohe Fokussiergeschwindigkeit ist eine leichte Fokussiergruppe MG. Dabei hat sich ein Verhältnis des Volumens V der Fokussiergruppe MG zum Bildkreisdurchmesser Bd in der Abbildungsebene in der dritten Potenz kleiner als 0.1 (V / Bd3 < 0.1 ) als besonders vorteilhaft erwiesen. Auf diese Weise ist die Fokussiergruppe leicht und ermöglicht eine schnelle Fokussierung. Eine leichte Fokussiergruppe hat gleichzeitig den Vorteil eines geringen Stromverbrauchs bei Autofokusanwendungen und ermöglicht eine leise Fokussierung. Der Bildkreisdurchmesser Bd ist dem Fachmann auch als Bilddiagonale eines digitalen Bildaufnahmesensors Bs bekannt und wird nachfolgend anhand der Fig. 10 genauer beschrieben.
Weiter vorteilhaft, ist für eine kompakte Bauform das Verhältnis der optischen Baulänge SO' des Objektivs zum Bildkreisdurchmesser Bd in der Abbildungsebene IM kleiner oder gleich 3.0 (SO1 / Bd < 3.0), wobei die optische Baulänge SO' als der Abstand vom Linsenscheitel der in Lichtrichtung ersten Linsenfläche der Linse L1 auf der optischen Achse bis zur Bildposition IM in der Abbildungsebene definiert ist.
Ein mit den zuvor beschriebenen Merkmalen konstruiertes Objektiv weist in vorteilhafter Weise einen halben Objektwinkel w im Bereich zwischen 10° und 18° (10° < w < 18°) auf. Das Objektiv weist ein Öffnungsverhältnis F/# von mindestens 1 .7 und höchstens 2.5 auf (1 .7 < F/# < 2.5°).
Das in Figur 6 dargestellte Objektiv weist eine besonders kompakte Bauform auf, indem das Verhältnis der optischen Baulänge SO' des Objektivs zum Bildkreisdurchmesser Bd in der Abbildungsebene IM 2.08 (SO1 / Bd = 2.08) beträgt, der halbe Objektwinkel w gleich 16° (w = 16°) ist und das Öffnungsverhältnis F/# 2.0 (F/# = 2.0) beträgt.
Als besonders vorteilhaft für hohe Fokussiergeschwindigkeiten in Autofokusanwendungen hat sich ein Verhältnis des Volumens V der Fokussiergruppe MG zum Bildkreisdurchmesser Bd in der Abbildungsebene in der dritten Potenz von 0.02 erwiesen (V / Bd3 = 0.02).
Für das Ausführungsbeispiel in Figur 6 sind in den nachfolgenden Tabellen mechanische Konstruktionsdaten und optische Parameter für die jeweiligen Linsenelemente angegeben.
Die Konstruktionsdaten sind auf eine Gesamtbrennweite f'ges = 1 mm normiert und können in bekannter Weise, z.B. auf die Gesamtbrennweitefges = 75mm für den Kleinbildbereich skaliert werden.
Dabei beziehen sich die Daten auf die in Lichtrichtung aufsteigend nummerierten Flächen der Linsenelemente. Die erste Fläche 1 beschreibt den Luft-Glas-Übergang an Linse L1 und die letzte Fläche 19 den Glas-Luft-Übergang an Linse L9. Die Aperturblende BL ist als plane Fläche 9 angegeben.
Für jede Fläche ist der Scheitelradius r, d.h. der Radius auf der optischen Achse angegeben. In der dritten Spalte ist der Flächentyp angegeben. Mit K07 ist beispielweise die siebte Fläche als asphärisch gekrümmte Fläche und mit H08 die achte Fläche als diffraktive Fläche gekennzeichnet. dM bezeichnet die Mittendicke der jeweiligen Linse oder den Abstand zu einer benachbarten Fläche im Scheitelpunkt. Für die zu Fokussierzwecken verschiebbar ausgeführte Mittelgruppe MG ist der Wert dM als Abstand in der Fokussierstellung auf unendlich angegeben und mit V01 und V02 sind die mit der Fokussierung variablen Abstände gekennzeichnet. ne bezeichnet die Brechzahl für die Fraunhoferlinie e (Wellenlänge 546,0740 nm) und ve die Abbe-Zahl für die Fraunhofer-Linie e.
Die Zuordnung der durchnummerierten Flächen zu den jeweiligen Linsen L1 - L9, den Untergruppen G1 -G4 und den Gruppen VG, MG und HG ist in den letzten drei Spalten angegeben:
Figure imgf000053_0001
In der folgenden Tabelle sind für die oben beim Flächentyp mit K gekennzeichneten asphärischen Flächen die konische Konstante k und die Asphärenkoeffizienten a2 bis a6 und für die mit H08 gekennzeichnete diffraktive Fläche der Phasenkoeffizient C1 in Exponentialdarstellung angegeben:
Figure imgf000054_0001
Figure imgf000054_0002
Das in Figur 7 dargestellte Ausführungsbeispiel eines Objektivs fester Brennweite besteht aus drei optischen Baugruppen, einer Vordergruppe VG positiver Gesamtbrechkraft, einer Mittelgruppe MG positiver Gesamtbrechkraft und einer Hintergruppe HG positiver Gesamtbrechkraft, die in Lichtrichtung gesehen vor einer Bildposition IM angeordnet sind.
Das Objektiv weist eine normierte Gesamtbrennweite f'ges = 1 mm auf und kann in bekannter Weise z.B. auf die Gesamtbrennweite f'ges = 100mm für den Kleinbildbereich skaliert werden.
Zur normierten Darstellung werden die nachfolgenden Zahlenwerte durch Brennweitenverhältnisse angegeben.
Die Brennweite f VG der Vordergruppe VG ist durch den Bereich
+ 1 .4 < f'vG/f'ges +2.2 definiert, die Brennweite fMG der Mittelgruppe liegt im Bereich
+0.5 f'MG/f'ges - +1 0 und die positive oder negative Brennweite FHG der Hintergruppe HG liegt im betragsmäßigen Bereich
+2.3 < |f‘HG/f‘ges| +3.8.
Die Vordergruppe VG, besteht aus drei Linsenelementen L1 , L2 und L3, die Mittelgruppe MG aus einem optischen Element L4 und die Hintergruppe HG weist zwei Untergruppen G3 und G4 auf. Zwischen der Mittelgruppe MG und der Hintergruppe HG ist eine Aperturblende BL mit veränderbarem Öffnungsdurchmesser angeordnet. Die Mittelgruppe MG ist definitionsgemäß im Blendennahbereich, das heißt, zwischen Aperturblende BL und der Mittelgruppe MG ist höchsten ein, im Ausführungsbeispiel kein weiteres optisches Element angeordnet. Die Mittelgruppe MG ist von der dargestellten Unendlichposition zu Fokussierungszwecken auf einen Fokusnahbereich, entgegen der Lichtrichtung (d.h. in Richtung des dargestellten Pfeils) in Richtung der Vordergruppe VG bewegbar gelagert.
Bei diesem Objektiv bestehen die zuvor beschriebenen Gruppen VG, MG und HG aus Linsen L1 bis L10, die in Lichtrichtung gesehen die Brechkraftabfolge + + - + - - + - + - aufweisen.
Die Brennweite f VG der Vordergruppe VG ist durch f'vG/f'ges = +1 -5, die Brennweite f'MG der Mittelgruppe MG durch f MG^f ges — +0.6 und die positive oder negative Brennweite FHG der Hintergruppe HG durch
|f HG^f ges| — +2.5 jeweils bezogen auf eine gegebene Gesamtbrennweite f'ges des Objektivs besonders vorteilhaft definiert.
In vorteilhafter Weise ist die Brechkraft fMG der Mittelgruppe MG einerseits nicht zu klein zu wählen, weil ansonsten der Fokushub, von Unendlichfokussierung auf Nahfokussierung länger wird, andererseits darf die Brechkraft auch nicht zu groß gewählt werden, da sonst das Volumen der Linse ansteigt. Beide Effekte wirken sich nachteilig aus und würden dazu führen, dass die Fokussierung des Objektivs zu langsam und für Autofokusanwendungen nicht mehr geeignet wäre.
Erfindungsgemäß ist daher die Brennweite FMG der Mittelgruppe MG, wie bereits erwähnt mit f MG^f ges — +0.6 zu wählen.
Zur Minimierung des Farbfehlers über den gesamten Entfernungseinstellungsbereich des Objektivs, ist das optische Element der Mittelgruppe MG als Linse L4 mit einer Fläche diffraktiver Brechkraft f DOE innerhalb der Grenzen
+14.9 < f'DOE/f'ges +24.9 ausgebildet.
Erfindungsgemäß wird eine einfache Herstellung der für die diffraktive Brechkraft erforderlichen diffraktiven Struktur auf einer ebenen, zumindest jedoch nur schwach gekrümmten Fläche ermöglicht. In vorteilhafter Weise ist daher im Ausführungsbeispiel ein Scheitelradius rDoE der diffraktiven Fläche der Linse L4 der Mittelgruppe (MG) mit Brennweite FMG in diesem Ausführungsbeispiel mit f'iviG/rDOE - 0.5923 bzw.
CDOE +1 013 mm als für die erfinderischen Zwecke nahezu plan definiert.
In besonders vorteilhafter Weise ist die Linse L4 der im Nahbereich der Blende BL angeordneten Mittelgruppe MG als konvexe Linse positiver Brechkraft mit in Lichtrichtung gesehen asphärischer ersten und nahezu planer zweiten Fläche ausgebildet. Die definitionsgemäß nahezu plane zweite Fläche weist eine diffraktive Brechkraft f DOE von f'DOE/f'ges = +16.7 auf, die in besonders vorteilhafter Weise die Minimierung des Farbfehlers über den gesamten Entfernungseinstellungsbereich des Objektivs bewirkt. Die nahezu plane zweite Fläche ist besonders für die einfache Herstellung einer diffraktiven Struktur geeignet und die asphärische erste Fläche bewirkt einen Ausgleich der monochromatischen Aberrationen über den Entfernungseinstellbereich.
Bei einer Entfernungseinstellung von Unendlich in den Fokusnahbereich liegt der paraxiale Abbildungsmaßstab ß'MG der Mittelgruppe MG vorteilhaft innerhalb der Grenzen
+0.254 - ß'MG - +0.415.
Im Bereich von
+0.281 ß'MG < +0.395 lässt sich eine gute Korrektion der Abberationen über den gesamten Einstellbereich erzielen.
Die Vordergruppe VG besteht aus mindestens einer erste Linse L1 mit positiver Brechkraft und einer letzten Linse negativer Brechkraft mit in Lichtrichtung erster konkaver Seite. Im Ausführungsbeispiel ist die Vordergruppe VG aus drei Linsen L1 , L2 und L3 gebildet und weist insgesamt positive Brechkraft auf. Die Linsen L1 und L2 können dabei konvex-plan oder bikonvex ausgeführt sein und sind im Ausführungsbeispiel als konvex-konkave Linsen jeweils positiver Brechkraft und die Linse L3 meniskusförmig als konvexkonkave Linse negativer Brechkraft ausgebildet. Auf diese Weise wird vorteilhaft eine Korrektion der monochromatischen Aberrationen in der Bildmitte erreicht.
Die Untergruppe G3 der Hintergruppe HG weist negative Gesamtbrechkraft auf, besteht aus mindestens einer ersten Linse negativer Brechkraft und einer letzten Linse positiver oder negativer Brechkraft. Im Ausführungsbeispiel besteht sie aus den Linsengliedern L5, L6 und L7. Die Linse L5 ist in vorteilhafter Weise als bikonkave Linse negativer Brechkraft ausgebildet. Die Linse L6 ist als bikonkave Linse negativer Brechkraft mit der bikonvexen Linse L7 positiver Brechkraft als Linsen-Duplett ausgeführt.
Die Untergruppe G4 der Hintergruppe HG weist positive Gesamtbrechkraft auf und besteht aus mindestens einer vorletzten Linse positiver Brechkraft und einer letzten Linse negativer Brechkraft deren erste Fläche konkav zur Untergruppe G3 angeordnet ist. Im Ausführungsbeispiel besteht die Untergruppe G4 aus einer meniskusförmigen konvex-konkaven Linse L8 negativer Brechkraft, einer bikonvexen Linse L9 positiver Brechkraft und einer meniskusförmig konkav-konvexen Linse L10 negativer Brechkraft, die zu einem Linsen-Triplett zusammengefasst sind.
Die Brennweite fG3 der Untergruppe G3 ist vorteilhaft mit f G3/f ges = -0.5 definiert, während die Brennweite fG4 der Untergruppe G4 vorteilhaft mit f G4/f ges = +0.5 gewählt ist.
In vorteilhafter Weise lassen sich mit den Merkmalen der Untergruppen G3 und G4 ein Ausgleich der monochromatischen Aberrationen zwischen Bildmitte und Bildfeld erreichen.
Vorteilhaft weist die Brechzahl n mindestens einer der Linsen positiver Brechkraft der Vordergruppe VG einen Wert größer oder gleich 1 .85 (n > 1.85) auf, mit n = 1.96 erfolgt eine Minimierung der Petzvalsumme.
Eine vorteilhaft gewählte Abbe-Zahl v bei mindestens einer der Linsen positiver Brechkraft der Vordergruppe VG von größer oder gleich 60 (v > 60) und insbesondere von gleich 68 (v = 68) dient dem Ausgleich bzw. der Minimierung von Farbfehlern.
Weiter vorteilhaft ist die Brechzahl n mindestens einer der Linsen negativer Brechkraft der Vordergruppe VG kleiner oder gleich 1.75 (n < 1 .75) gewählt, mit n = 1 .73 wird die Petzvalsumme minimiert.
Vorteilhaft für eine hohe Fokussiergeschwindigkeit ist eine leichte Fokussiergruppe MG. Dabei hat sich ein Verhältnis des Volumens V der Fokussiergruppe MG zum Bildkreisdurchmesser Bd in der Abbildungsebene in der dritten Potenz kleiner als 0.1 (V / Bd3 < 0.1 ) als besonders vorteilhaft erwiesen. Auf diese Weise ist die
Fokussiergruppe leicht und ermöglicht eine schnelle Fokussierung. Eine leichte Fokussiergruppe hat gleichzeitig den Vorteil eines geringen Stromverbrauchs bei Autofokusanwendungen und ermöglicht eine leise Fokussierung. Der Bildkreisdurchmesser Bd ist dem Fachmann auch als Bilddiagonale eines digitalen Bildaufnahmesensors Bs bekannt und wird nachfolgend anhand der Fig. 10 genauer beschrieben. Weiter vorteilhaft, ist für eine kompakte Bauform das Verhältnis der optischen Baulänge SO' des Objektivs zum Bildkreisdurchmesser Bd in der Abbildungsebene IM kleiner oder gleich 3.0 (SO1 / Bd < 3.0), wobei die optische Baulänge SO' als der Abstand vom Linsenscheitel der in Lichtrichtung ersten Linsenfläche der Linse L1 auf der optischen Achse bis zur Bildposition IM in der Abbildungsebene definiert ist.
Ein mit den zuvor beschriebenen Merkmalen konstruiertes Objektiv weist in vorteilhafter Weise einen halben Objektwinkel w im Bereich zwischen 10° und 18° (10° < w < 18°) auf.
Das Objektiv weist ein Öffnungsverhältnis F/# von mindestens 1 .7 und höchstens 2.5 auf (1.7 < F/# < 2.5°).
Das in Figur 7 dargestellte Objektiv weist eine besonders kompakte Bauform auf, indem das Verhältnis der optischen Baulänge SO' des Objektivs zum Bildkreisdurchmesser Bd in der Abbildungsebene IM 2.77 (SO1 / Bd = 2.77) beträgt, der halbe Objektwinkel w gleich 12° (w = 12°) ist und das Öffnungsverhältnis F/# 2.0 (F/# = 2.0) beträgt.
Als besonders vorteilhaft für hohe Fokussiergeschwindigkeiten in Autofokusanwendungen hat sich ein Verhältnis des Volumens V der Fokussiergruppe MG zum Bildkreisdurchmesser Bd in der Abbildungsebene in der dritten Potenz von 0.02 erwiesen (V / Bd3 = 0.02).
Für das Ausführungsbeispiel in Figur 7 sind in den nachfolgenden Tabellen mechanische Konstruktionsdaten und optische Parameter für die jeweiligen Linsenelemente angegeben.
Die Konstruktionsdaten sind auf eine Gesamtbrennweite f'ges = 1 mm normiert und können in bekannter Weise, z.B. auf die Gesamtbrennweite f'ges = 100mm für den Kleinbildbereich skaliert werden. Dabei beziehen sich die Daten auf die in Lichtrichtung aufsteigend nummerierten Flächen der Linsenelemente. Die erste Fläche 1 beschreibt den Luft-Glas-Übergang an Linse L1 und die letzte Fläche 18 den Glas-Luft-Übergang an Linse L10. Die Aperturblende BL ist als plane Fläche 9 angegeben.
Für jede Fläche ist der Scheitelradius r, d.h. der Radius auf der optischen Achse angegeben. In der dritten Spalte ist der Flächentyp angegeben. Mit K07 ist beispielweise die siebte Fläche als asphärisch gekrümmte Fläche und mit H08 die achte Fläche als diffraktive Fläche gekennzeichnet. dM bezeichnet die Mittendicke der jeweiligen Linse oder den Abstand zu einer benachbarten Fläche im Scheitelpunkt. Für die zu Fokussierzwecken verschiebbar ausgeführte Mittelgruppe MG ist der Wert dM als Abstand in der Fokussierstellung auf unendlich angegeben und mit V01 und V02 sind die mit der Fokussierung variablen Abstände gekennzeichnet. ne bezeichnet die Brechzahl für die Fraunhoferlinie e (Wellenlänge 546,0740 nm) und ve die Abbe-Zahl für die Fraunhofer-Linie e.
Die Zuordnung der durchnummerierten Flächen zu den jeweiligen Linsen L1 - L10, den Untergruppen G1 -G4 und den Gruppen VG, MG und HG ist in den letzten drei Spalten angegeben:
Figure imgf000061_0001
Figure imgf000062_0001
In der folgenden Tabelle sind für die oben beim Flächentyp mit K gekennzeichneten asphärischen Flächen die konische Konstante k und die Asphärenkoeffizienten a2 bis a4 und für die mit H08 gekennzeichnete diffraktive Fläche der Phasenkoeffizient C1 in
Exponentialdarstellung angegeben:
Figure imgf000062_0002
Die in den Figuren 8 und 9 dargestellten Ausführungsbeispiele eines Objektivs fester Brennweite besteht aus drei optischen Baugruppen, einer Vordergruppe VG, einer Mittelgruppe MG und einer Hintergruppe HG mit je positiver Gesamtbrechkraft, die in Lichtrichtung gesehen vor einer Bildposition IM angeordnet sind.
Das Objektiv weist eine normierte Gesamtbrennweite f'ges = 1 mm auf und kann in bekannter Weise z. B. auf die Gesamtbrennweite f'ges = 28mm für den Kleinbildbereich skaliert werden.
Zur normierten Darstellung werden die nachfolgenden Zahlenwerte durch Brennweitenverhältnisse angegeben. Die Brennweite f VG der Vordergruppe VG ist durch den Bereich
+7.0 < f'vc/f'ges +25.7 definiert, die Brennweite f MG der Mittelgruppe liegt im Bereich
+ 1 .6 f'MG/f'ges - +3.0 und die Brennweite f HG der Hintergruppe HG liegt im Bereich
+3.1 < f'HG/f'ges +5.0.
Die Vordergruppe VG, besteht aus zwei Untergruppen G1 und G2, die Mittelgruppe MG aus einem optischen Element G3 und die Hintergruppe HG weist zwei Untergruppen G4 und G5 auf. Zwischen der Vordergruppe VG und der Mittelgruppe MG ist eine Aperturblende BL mit veränderbarem Öffnungsdurchmesser angeordnet. Die Mittelgruppe MG ist definitionsgemäß im Blendennahbereich angeordnet, das heißt, zwischen Aperturblende BL und der Mittelgruppe MG ist kein weiteres optisches Element vorgesehen. Die Mittelgruppe MG besteht aus einer optischen Untergruppe G3 und ist von der dargestellten Unendlichposition zu Fokussierungszwecken auf einen Fokusnahbereich, entgegen der Lichtrichtung (d.h. in Richtung des dargestellten Pfeils) in Richtung der Aperturblende BL bewegbar gelagert.
In vorteilhafter Weise ist die Brechkraft FMG der Mittelgruppe MG einerseits nicht zu klein zu wählen, weil ansonsten der Fokushub, von Unendlichfokussierung auf Nahfokussierung länger wird, andererseits darf die Brechkraft auch nicht zu groß gewählt werden, da sonst das Volumen der Linse ansteigt. Beide Effekte wirken sich nachteilig aus und würden dazu führen, dass die Fokussierung des Objektivs zu langsam und für Autofokusanwendungen nicht mehr geeignet wäre.
Erfindungsgemäß ist daher die Brennweite FMG der Mittelgruppe MG im Bereich + 1 .6 f'l G/fges - +3.0 zu wählen.
In besonders vorteilhafter Weise ist zur Minimierung des Farbfehlers über den gesamten Entfernungseinstellungsbereich des Objektivs, das optische Element G3 der Mittelgruppe MG als Linse L5 mit positiver Brechkraft und als Linse L6 mit einseitig diffraktiver Fläche mit einer Brechkraft f DOE innerhalb der Grenzen
+33.6 < f DOE/f'ges +45.4 ausgebildet.
Erfindungsgemäß wird die einfache Herstellung der für die diffraktive Brechkraft erforderlichen diffraktiven Struktur auf einer ebenen, zumindest nur schwach gekrümmten Fläche einer der Linsen der Mittelgruppe MG ermöglicht. In vorteilhafter Weise ist daher der Scheitelradius TDOE der diffraktiven Fläche dieser Linse der Mittelgruppe MG plan innerhalb der Grenzen:
-0.1255 < f'MG/rDoE +0.1388.
In vorteilhafter Weise wird ein Ausgleich der monochromatischen Aberrationen über den Entfernungseinstellbereich, gewährleistet, wenn die der Aperturblende BL zugewandte Fläche der Linse der Mittelgruppe MG eine positive Brechkraft aufweist und weiter vorteilhaft asphärisch ausgebildet ist.
Die Untergruppe G1 der Vordergruppe VG besteht aus zwei Gliedern L1 und L2 und weist insgesamt negative Brechkraft auf. Die Brennweite f'd der Untergruppe G1 ist durch den Bereich f'Gi/f'ges -3.7 definiert. Die mindestens eine konvex-konkave erste Linse L1 mit negativer Brechkraft ist meniskus-förmig ausgebildet und mit ihrer konkaven Seite zu einer konvexen Seite der mindestens einen Linse L2 mit positiver Brechkraft hin angeordnet.
Die Untergruppe G2 der Vordergruppe VG weist zwei Gliedern L3 und L4 mit insgesamt positiver Brechkraft auf. Die mindestens eine erste Linse L3 mit negativer Brechkraft ist bikonkav ausgebildet und mit ihrer konkaven ersten Seite zur Linse L2 der Untergruppe G1 angeordnet. Das zweite Element der Untergruppe G2 weist mindestens eine Linse L4 positiver Brechkraft auf. Im Ausführungsbeispiel sind die Glieder L3 und L4 als Einzellinsen ausgeführt und als Duplett zusammengefasst.
Mit den Merkmalen der Untergruppen G1 und G2 erfolgt in vorteilhafter Weise ein Ausgleich der monochromatischen Abberationen zwischen Bildmitte und Bildfeld.
Die Untergruppe G4 der Hintergruppe HG weist zwei Glieder L7 und L8 mit insgesamt positiver Brechkraft auf. Sie besteht aus mindestens einer bikonvexen Linse L7 mit positiver Brechkraft und mindestens einer bikonkaven Linse L8 negativer Brechkraft. L7 ist mit ihrer konvexen ersten Seite zur Mittelgruppe MG hin angeordnet. Im Ausführungsbeispiel sind die Glieder L7 und L8 als Einzellinsen ausgeführt und als Duplett zusammengefasst.
Die Untergruppe G5 der Hintergruppe HG weist negative oder positive Gesamtbrechkraft auf und besteht aus mindestens einer letzten Linse L9 deren erste Fläche konkav ausgebildet und zur Untergruppe G4 angeordnet ist. Die Brennweite fGs der Untergruppe G5 ist dabei durch den Bereich -0.1 < fges/fG5 +0.1 definiert. In vorteilhafter Weise lassen sich mit den Merkmalen der Untergruppen G4 und G5 eine Minimierung der Koma, der astigmatischen Differenz und der Verzeichnung im Bildfeld realisieren.
Vorteilhaft weist die Brechzahl n mindestens einer der Linsen positiver Brechkraft der Vordergruppe VG einen Wert größer oder gleich 1 .85 (n > 1 .85) auf, auf diese Weise erfolgt eine Minimierung der Petzvalsumme.
Weiter vorteilhaft ist die Brechzahl n mindestens einer der Linsen positiver Brechkraft der Hintergruppe HG ebenfalls größer oder gleich 1.85 (n > 1.85) gewählt, um die Petzvalsumme weiter zu minimieren.
Auch eine vorteilhaft gewählte Brechzahl n der ersten Linse negativer Brechkraft der Vordergruppe VG von kleiner oder gleich 1 .60 (n < 1 .60) trägt zur Minimierung der Petzvalsumme bei.
Zum Ausgleich der monochromatischen Aberrationen im Bildfeld ist die erste Linse L1 der Vordergruppe VG einseitig oder beidseitig mit asphärischen Flächen ausgebildet.
Vorteilhaft ist die letzte Linse L9 der Hintergruppe HG einseitig oder beidseitig mit asphärischen Flächen ausgebildet um einen weiteren Ausgleich der monochromatischen Aberrationen im Bildfeld zu erreichen.
Vorteilhaft für eine hohe Fokussiergeschwindigkeit ist eine leichte Fokussiergruppe MG. Dabei hat sich ein Verhältnis des Volumens V der Fokussiergruppe MG zum Bildkreisdurchmesser Bd in der Abbildungsebene in der dritten Potenz kleiner als 0,1 (V / Bd3 < 0.1 ) als besonders vorteilhaft erwiesen. Auf diese Weise ist die
Fokussiergruppe leicht und ermöglicht eine schnelle Fokussierung. Eine leichte Fokussiergruppe hat gleichzeitig den Vorteil eines geringen Stromverbrauchs bei Autofokusanwendungen und ermöglicht eine leise Fokussierung. Der Bildkreisdurchmesser Bd ist dem Fachmann auch als Bilddiagonale eines digitalen Bildaufnahmesensors Bs bekannt und wird nachfolgend anhand der Fig. 10 genauer beschrieben.
Weiter vorteilhaft, ist für eine kompakte Bauform das Verhältnis der optischen Baulänge SO' des Objektivs zum Bildkreisdurchmesser Bd in der Abbildungsebene IM kleiner oder gleich 2.0 (SO1 / Bd < 2.0), wobei die optische Baulänge SO' als der Abstand vom Linsenscheitel der in Lichtrichtung ersten Linsenfläche der Linse L1 auf der optischen Achse bis zur Bildposition IM in der Abbildungsebene definiert ist.
Ein mit den zuvor beschriebenen Merkmalen konstruiertes Objektiv weist in vorteilhafter Weise einen halben Objektwinkel w von größer oder gleich 31 ° auf (w > 31 °).
Das Objektiv weist ein Öffnungsverhältnis F/# von mindestens 1 .7 und höchstens 2.5 auf, vorteilhaft liegt es im Bereich zwischen 1 .7 und 2.5 (1.7 < F/# < 2.5).
Das in Figur 8 dargestellte Objektiv weist eine kompakte Bauform auf, wobei das Verhältnis der optischen Baulänge SO' des Objektivs zum Bildkreisdurchmesser Bd in der Abbildungsebene IM 1.73
(SO1 / Bd = 1 .73) beträgt, der halbe Objektwinkel w gleich 42° (w = 42°) ist und das Öffnungsverhältnis F/# 2.0 (F/# = 2.0) beträgt.
Bei diesem Objektiv bestehen die zuvor beschriebenen Untergruppen G1 bis G5 aus Linsen L1 bis L9, die in Lichtrichtung gesehen die Brechkraftabfolge - + - + + 0 + - - aufweisen (0 = neutral, plan, keine refraktive Brechkraft).
Die Brennweite f VG der Vordergruppe VG ist durch f'vG/f'ges +8.7, die Brennweite f MG der Mittelgruppe MG durch f MG^f ges — +2.6 und die Brennweite f HG der Hintergruppe HG durch f'HG/f'ges = +3.5 jeweils bezogen auf eine gegebene Gesamtbrennweite f'ges des Objektivs besonders vorteilhaft definiert.
Die Linse L5 des hinter der Blende BL angeordneten optischen Elements G3 der Mittelgruppe MG ist als konvexe Linse mit in Lichtrichtung gesehen asphärischer ersten Fläche ausgebildet. Die zweite Fläche kann plan oder konkav ausgeführt sein.
Die im Ausführungsbeispiel als optisch transparente Planplatte ausgeführte Linse L6 weist auf ihrer der Bildposition IM zugewandten Seite eine diffraktive Brechkraft f DOE von f'DOE/f'ges = +36.5 auf, die in besonders vorteilhafter Weise die Minimierung des Farbfehlers über den gesamten Entfernungseinstellungsbereich des Objektivs bewirkt. Eine optisch transparente Planplatte ist besonders für die einfache Herstellung einer diffraktiven Struktur geeignet. Die asphärische erste Fläche der Linse L5 bewirkt einen Ausgleich der monochromatischen Aberrationen über den Entfernungseinstellbereich.
Die Untergruppe G1 der Vordergruppe VG besteht aus zwei Linsen L1 und L2 und weist insgesamt eine Brennweite f Gi von f'Gi/f'ges = -10.0 auf. Die erste Linse L1 weist dabei eine konvex-konkave Form mit negativer Brechkraft auf und ist meniskus-förmig mit asphärisch gekrümmter konvexer und asphärisch gekrümmter konkaver Seite ausgeführt.
Die Untergruppe G2 der Vordergruppe VG hat vorteilhaft eine Brennweite f'G2 von insgesamt f G2/f' ges = +5.6.
Mit den auf diese Weise definierten Brennweiten für die Untergruppen G1 und G2 ist ein Ausgleich der monochromatischen Aberrationen zwischen Bildmitte und Bildfeld gewährleistet.
Die Untergruppe G4 der Hintergruppe HG besteht aus einer bikonvexen Linse L7 und einer bikonkaven Linse L8, beide sind als Duplett, mit insgesamt einer Brennweite fG4Von f G4/f' ges = +2.9 zusammengefasst.
In vorteilhafter Weise hat die Untergruppe G5 der Hintergruppe HG eine Brennweite f G5 von insgesamt f'G5/f'ges = +0.056 und ist als Einzellinse L9 mit konkav-konvexer Linsenform ausgeführt. Die in Lichtrichtung erste konkave Seite der Linse L9 ist asphärisch ausgeformt.
Mit den auf diese Weise definierten Brennweiten für die Untergruppen G4 und G5 werden die Koma, die astigmatische Differenz und die Verzeichnung im Bildfeld weiter minimiert.
Vorteilhaft weisen die Linse L2 der Vordergruppe VG und die Linse L7 der Hintergruppe HG dieselbe Brechzahl auf. In dieser Ausführung bietet es sich an, für beide Linsen dasselbe Glasmaterial zu verwenden, um auf diese Weise die Fertigung zu erleichtern und Lagerkosten zu reduzieren. Besonders bevorzugt weisen L2 und L7 eine Brechzahl von 2.01 (n = 2.01 ) und die Linse L1 der Vordergruppe VG eine Brechzahl von 1.49 (n = 1.49) auf, um die Petzvalsumme weiter zu minimieren.
Als besonders vorteilhaft für hohe Fokussiergeschwindigkeiten in Autofokusanwendungen hat sich ein Verhältnis des Volumens V der Fokussiergruppe MG zum Bildkreisdurchmesser Bd in der Abbildungsebene in der dritten Potenz von 0.04 erwiesen (V / Bd3 = 0.04).
Für das Ausführungsbeispiel in Figur 8 sind in den nachfolgenden Tabellen mechanische Konstruktionsdaten und optische Parameter für die jeweiligen Linsenelemente angegeben.
Die Konstruktionsdaten sind auf eine Gesamtbrennweite f'ges = 1 mm normiert und können in bekannter Weise, z.B. auf die Gesamtbrennweite f'ges = 28mm für den Kleinbildbereich skaliert werden.
Dabei beziehen sich die Daten auf die in Lichtrichtung aufsteigend nummerierten Flächen der Linsenelemente. Die erste Fläche 1 beschreibt den Luft-Glas-Übergang an Linse L1 und die letzte Fläche 17 den Glas-Luft-Übergang an Linse L9. Die Aperturblende BL ist als plane Fläche 8 angegeben.
Für jede Fläche ist der Scheitelradius r, d.h. der Radius auf der optischen Achse angegeben. In der dritten Spalte ist der Flächentyp angegeben. Mit K01 ist beispielweise die erste Fläche als asphärisch gekrümmte Fläche und mit H12 die zwölfte Fläche als diffraktive Fläche gekennzeichnet. dM bezeichnet die Mittendicke der jeweiligen Linse oder den Abstand zu einer benachbarten Fläche im Scheitelpunkt. Für die zu Fokussierzwecken verschiebbar ausführte Mittelgruppe MG ist der Wert dM als Abstand in der Fokussierstellung auf unendlich angegeben und mit V01 und V02 sind die mit der Fokussierung variablen Abstände gekennzeichnet. ne bezeichnet die Brechzahl für die Fraunhoferlinie e (Wellenlänge 546,0740 nm) und ve die Abbe-Zahl für die Fraunhofer-Linie e.
Die Zuordnung der durchnummerierten Flächen zu den jeweiligen Linsen L1 - L9, den Untergruppen G1 -G5 und den Gruppen VG, MG und HG ist in den letzten drei Spalten angegeben:
Figure imgf000071_0001
In der folgenden Tabelle sind für die oben beim Flächentyp mit K gekennzeichneten asphärischen Flächen die konische Konstante k und die Asphärenkoeffizienten a2 bis a6 und für die mit H12 gekennzeichnete diffraktive Fläche der Phasenkoeffizient C1 in Exponentialdarstellung angegeben:
Figure imgf000072_0001
Figure imgf000072_0002
Figure imgf000072_0003
Das in Figur 9 dargestellte Objektiv weist eine kompakte Bauform auf, wobei das Verhältnis der optischen Baulänge SO' des Objektivs zum Bildkreisdurchmesser Bd in der Abbildungsebene IM 1 .73
(SO1 / Bd = 1 .73) beträgt, der halbe Objektwinkel w gleich 42° (w = 42°) ist und das Öffnungsverhältnis F/# 2.0 (F/# = 2.0) beträgt.
Bei diesem Objektiv bestehen die zuvor beschriebenen Untergruppen
G1 bis G5 aus Linsen L1 bis L9, die in Lichtrichtung gesehen die Brechkraftabfolge - + - + + + + - - aufweisen.
Die Brennweite f VG der Vordergruppe VG ist durch f'vG/f'ges = +7.5, die Brennweite f MG der Mittelgruppe MG durch f MG^f ges — +2.8 und die Brennweite FHG der Hintergruppe HG durch f'HG/f'ges = +3.0 jeweils bezogen auf eine gegebene Gesamtbrennweite f'ges des Objektivs besonders vorteilhaft definiert.
Die Linse L5 des hinter der Blende BL angeordneten optischen Elements G3 der Mittelgruppe MG ist als konvex-konkave Linse mit in Lichtrichtung gesehen asphärischer ersten Fläche ausgebildet.
Die im Ausführungsbeispiel dargestellte konvex geformte Linse L6 weist auf ihrer der Bildposition IM zugewandten Seite eine diffraktive Brechkraft f DOE von f'DOE/f'ges = +35.9 auf, die in besonders vorteilhafter Weise die Minimierung des Farbfehlers über den gesamten Entfernungseinstellungsbereich des Objektivs bewirkt. Zur besonders einfachen Herstellung einer diffraktiven Struktur ist die in Lichtrichtung zweite Fläche der Linse L6 als Planfläche ausgebildet. Die asphärische erste Fläche der Linse L5 bewirkt einen Ausgleich der monochromatischen Aberrationen über den Entfernungseinstellbereich.
Die Untergruppe G1 der Vordergruppe VG besteht aus zwei Linsen L1 und L2 und weist insgesamt eine Brennweite f'Gi von f'Gi/f'ges = -9.7 auf.
Die erste Linse L1 weist dabei eine konvex-konkave Form mit negativer Brechkraft auf und ist meniskus-förmig mit asphärisch gekrümmter konvexer und asphärisch gekrümmter konkaver Seite ausgeführt.
Die Untergruppe G2 der Vordergruppe VG hat vorteilhaft eine Brennweite f'G2 von insgesamt f G2/f ges = +5.3. Mit den auf diese Weise definierten Brennweiten für die Untergruppen G1 und G2 ist ein Ausgleich der monochromatischen Aberrationen zwischen Bildmitte und Bildfeld gewährleistet.
Die Untergruppe G4 der Hintergruppe HG besteht aus einer bikonvexen Linse L7 und einer bikonkaven Linse L8, die als Duplett, mit insgesamt einer Brennweite fG4Von f G4/f' ges = +2.5 zusammengefasst sind.
In vorteilhafter Weise hat die Untergruppe G5 der Hintergruppe HG eine Brennweite f G5 von insgesamt f G5/f ges = +0.086 und ist als Einzellinse L9 mit konkav-konvexer Linsenform ausgeführt. Die in Lichtrichtung erste konkave Seite der Linse L9 ist asphärisch ausgeformt.
Mit den auf diese Weise definierten Brennweiten für die Untergruppen G4 und G5 werden die Koma, die astigmatische Differenz und die Verzeichnung im Bildfeld weiter minimiert.
Vorteilhaft weisen die Linse L2 der Vordergruppe VG und die Linse L7 der Hintergruppe HG dieselbe Brechzahl auf. In dieser Ausführung bietet es sich an, für beide Linsen dasselbe Glasmaterial zu verwenden, um auf diese Weise die Fertigung zu erleichtern und Lagerkosten zu reduzieren. Bevorzugt weisen L2 und L7 eine Brechzahl von 2.01 (n = 2.01 ) und die Linse L1 der Vordergruppe VG eine Brechzahl von 1.49 (n = 1.49) auf, um die Petzvalsumme weiter zu minimieren.
Als besonders vorteilhaft für hohe Fokussiergeschwindigkeiten in Autofokusanwendungen hat sich ein Verhältnis des Volumens V der Fokussiergruppe MG zum Bildkreisdurchmesser Bd in der Abbildungsebene in der dritten Potenz von 0.05 erwiesen (V / Bd3 = 0.05).
Für das Ausführungsbeispiel in Figur 9 sind in den nachfolgenden Tabellen mechanische Konstruktionsdaten und optische Parameter für die jeweiligen Linsenelemente angegeben.
Die Konstruktionsdaten sind auf eine Gesamtbrennweite f'ges = 1 mm normiert und können in bekannter Weise, z.B. auf die Gesamtbrennweite f'ges = 28mm für den Kleinbildbereich skaliert werden.
Dabei beziehen sich die Daten auf die in Lichtrichtung aufsteigend nummerierten Flächen der Linsenelemente. Die erste Fläche 1 beschreibt den Luft-Glas-Übergang an Linse L1 und die letzte Fläche 17 den Glas-Luft-Übergang an Linse L9. Die Aperturblende BL ist als plane Fläche 8 angegeben.
Für jede Fläche ist der Scheitelradius r, d.h. der Radius auf der optischen Achse angegeben. In der dritten Spalte ist der Flächentyp angegeben. Mit K01 ist beispielweise die erste Fläche als asphärisch gekrümmte Fläche und mit H12 die zwölfte Fläche als diffraktive Fläche gekennzeichnet. dM bezeichnet die Mittendicke der jeweiligen Linse oder den Abstand zu einer benachbarten Fläche im Scheitelpunkt. Für die zu Fokussierzwecken verschiebbar ausgeführte Mittelgruppe MG ist der Wert dM als Abstand in der Fokussierstellung auf unendlich angegeben und mit V01 und V02 sind die mit der Fokussierung variablen Abstände gekennzeichnet. ne bezeichnet die Brechzahl für die Fraunhoferlinie e (Wellenlänge 546,0740 nm) und ve die Abbe-Zahl für die Fraunhofer-Linie e. Die Zuordnung der durchnummerierten Flächen zu den jeweiligen Linsen L1 - L9, den Untergruppen G1 -G5 und den Gruppen VG, MG und HG ist in den letzten drei Spalten angegeben:
Figure imgf000076_0001
In der folgenden Tabelle sind für die oben beim Flächentyp mit K gekennzeichneten asphärischen Flächen die konische Konstante k und die Asphärenkoeffizienten a2 bis a6 und für die mit H12 gekennzeichnete diffraktive Fläche der Phasenkoeffizient C1 in Exponentialdarstellung angegeben:
Figure imgf000077_0001
Figure imgf000077_0002
In Figur 10 ist in der Bildposition eine kreisrunde Abbildungsebene IM schematisch dargestellt. Mit einem Doppelpfeil ist der Bildkreisdurchmesser Bd dargestellt, der mit dem Durchmesser eines rechteckig dargestellten Bildsensors Bs übereinstimmt.
Bezuqszeichenliste
BL Aperturblende
L1 - L10 erste bis zehnte Linse
G1 - G5 erste bis fünfte Untergruppe
VG Vordergruppe
MG Mittelgruppe
HG Hintergruppe
Bd Bildkreisdurchmesser
IM Abbildungsebene/Bildposition * asphärisch gekrümmt Linsenfläche
# Fläche diffraktiver Brechkraft

Claims

Patentansprüche
1 ) Objektiv fester Brennweite mit in Lichtrichtung einer ortsfesten vorderen Linsengruppe (VG), einer ortsfesten Blende (BL) einstellbarer Öffnung, einer ortsfesten hinteren Linsengruppe (HG) und einer relativ zur Blende entlang der optischen Achse des Objektivs verschiebbaren Fokussiergruppe (MG) zur Abbildung unterschiedlich entfernter Objekte auf eine ortsfeste Bildebene (IM), dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussiergruppe (MG) aus mindestens einem Linsenelement und einem in die Fokussiergruppe (MG) integrierten diffraktiven optischen Element (DOE) besteht.
2) Objektiv nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die vordere Linsengruppe (VG) positive Brechkraft aufweist, die Fokussiergruppe (MG) aus maximal zwei Linsenelementen besteht und insgesamt eine positive Brechkraft f MG aufweist.
3) Objektiv nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Brechkraft f DOE des diffraktiven optischen Elements (DOE) zur Gesamtbrechkraft f'ges des Objektivs mindestens 14.9 und höchstens 45.4 beträgt.
4) Objektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Gesamtbrechkraft f MG der Fokussiergruppe (MG) zur Gesamtbrechkraft f'ges des Objektivs mindestens 0.9 und höchstens 3.0 beträgt, wobei die Fokussiergruppe (MG) aus einem einzigen Linsenelement mit in
77 Lichtrichtung asphärisch konvexer Frontfläche besteht und die Rückfläche nahezu eben einen Scheitelradius TDOE aufweist, wobei das Verhältnis der Gesamtbrechkraft f MG der Fokussiergruppe (MG) zum Scheitelradius TDOE mindestens -0.1255 und höchstens 0.1388 beträgt und auf die nahezu ebene Rückfläche das diffraktive optische Element (DOE) aufgebracht ist. ) Objektiv nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussiergruppe (MG) aus einem einzigen Linsenelement mit in Lichtrichtung asphärisch konvexer Frontfläche und planer Rückfläche besteht, auf die das diffraktive optische Element (DOE) aufgebracht ist. ) Objektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Gesamtbrechkraft f MG der Fokussiergruppe (MG) zur Gesamtbrechkraft f'ges des Objektivs mindestens 0.5 und höchstens 1.0 beträgt, wobei die Fokussiergruppe (MG) aus einem einzigen Linsenelement mit in Lichtrichtung asphärisch konvexer Frontfläche besteht und die Rückfläche einen schwach gekrümmten Scheitelradius TDOE aufweist, der bei einer auf 1 mm normierten Gesamtbrechkraft f'ges mindestens größer oder gleich 3.159 mm, mindestens jedoch größer oder gleich 1 .013 mm beträgt und auf die auf diese Weise schwach gekrümmte Rückfläche das diffraktive optische Element (DOE) aufgebracht ist. ) Objektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussiergruppe (MG) aus zwei in Lichtrichtung nach der Blende (BL) aufeinander folgenden Linsenelementen (L5, L6) besteht, von denen das erste (L5) eine asphärisch konvexe Frontfläche aufweist und auf der planen Rückfläche des zweiten Linsenelements (L6) das diffraktive optische Element (DOE) aufgebracht ist.
78 ) Objektiv nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Linsenelement (L5) eine konkave Rückfläche und das zweite Linsenelement (L6) eine konvexe Frontfläche aufweist. ) Objektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussiergruppe (MG) aus einer Position mit Fokussierung auf einen unendlich entfernten Objektpunkt auf eine Nahbereichsfokussierung entgegen der Lichtrichtung, von der hinteren Linsengruppe (HG) weg auf die vordere Linsengruppe (VG) hin bewegbar ist. 0) Objektiv nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussiergruppe (MG) in einem Blendennahbereich, vor oder hinter der Blende (BL) angeordnet ist, wobei zwischen Fokussiergruppe (MG) und Blende (BL) kein, höchstens ein weiteres optisches Element angeordnet ist. 1 ) Objektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Linse (L1 ) der Vordergruppe (VG) einseitige oder beidseitig mit asphärischen Flächen ausgebildet ist. 2) Objektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die letzte Linse (L7, L8, L9) der Hintergruppe (HG) einseitig oder beidseitige mit asphärischen Flächen ausgebildet ist. 3) Objektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis V des Volumens der Fokussiergruppe (MG) zum Bildkreisdurchmesser (Bd) in der Abbildungsebene (IM) in der dritten Potenz unter 0.1
(V / Bd3 < 0.1 ) liegt. 4) Objektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der optischen Baulänge
79 (SO1) des Objektivs zum Bildkreisdurchmesser (Bd) in der
Abbildungsebene (IM) kleiner oder gleich 3.0 (SO1 / Bd <= 3.0) ist.
80
PCT/DE2021/100889 2020-11-10 2021-11-08 Objektiv fester brennweite WO2022100786A1 (de)

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