Die vorliegende Erfindung betrifft ein Zoomlinsensystem, das sich für extrem kurze Aufnahmedistanzen eignet und eine vordere sowie eine hintere bewegliche Linse aufweist, die zwischen einer Frontfokussierlinse, die ausschliesslich dem Fokussieren dient, und einer Sammellinse angeordnet sind.
In bekannten Zoomlinsensystemen dieser Konstruktion, die auch unter den Namen Variooptik und Gummilinsen bekannt sind, werden Aufnahmen mit extrem kurzer Aufnahmedistapz erst mittels einer zusätzlichen Vorsatzlinse, die vor der Frontlinse befestigt wird, möglich.
In diesem Falle ist aber der Fokussierbereich beschränkt und es ist nicht mehr möglich, einen beliebig dimensionierten Gegenstand in einer beliebigen Distanz im visuellen Feld der Linse, aufzunehmen. Darüber hinaus besteht bei extrem kurzer Aufnahmedistanz die Gefahr, dass die Qualität des Bildes schlecht wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile der bekannten Zoomlinsensysteme auszuschalten und ein solches zu realisieren, das ohne Vorsatzlinse Objekte in beliebigem Abstand von der Kamera aufnehmen kann und klein dimensioniert werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass zur Scharfeinstellung auf extrem nahe Objekte Mittel vorgesehen sind, welche die hintere bewegliche Linse entlang ihrer optischen Achse bewegen, während die vordere bewegliche Linse in ihrer extremen Weitwinkellage verharrt.
Gemäss eines weiteren Aspekts der Erfindung ist eine vordere und eine hintere Steuerrille in einem Steuerzylinder zum Steuern der Bewegungen besagter vorderer- und hinterer, in je einem Linsenhalter befestigter beweglicher Linsen angebracht, wobei sich die vordere Steuerrille von dem der extremen Weitwinkeleinstellung entsprechenden Punkt aus in einer zur optischen Achse senkrechten Ebene verläuft, währenddem sich die hintere Steuerrille vom gleichen Punkt aus in einer zur optischen Achse geneigten Ebene verläuft.
Weitere Eigenschaften des erfindungsgemässen Zoomlinsensystems sowie die damit erzielten Vorteile gegenüber herkömmlichen derartigen Linsensystemen gehen aus der nachfolgenden Beschreibung an Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung hervor, in der
Fig. 1A, 1B und 1C Längsschnitte durch bekannte Zoomlinsensysteme der eingangs erwähnten Art darstellen,
Fig. 2 ein Linsensystem nach Fig. 1B im Schnitt zeigt, wobei die zum Verständnis der Funktionsweise dieses Linsensystems notwendigen Elemente eingetragen sind,
Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine Ausführungsvariante eines erfindungsgemässen Linsensystems zeigt, die eine Linsenanordnung entsprechend der Fig. 1B in einem kleindimensionierten Tubus enthält,
Fig. 4 einen Schnitt durch das Objektiv nach Fig. 3 entlang der Linie IV-IV darstellt,
Fig.
5 eine abgewickelte Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines Steuerzylinders des erfindungsgemässen Linsensystems zeigt,
Fig. 6 eine schematische Darstellung der relativen Stellungen der beweglichen Linsen darstellt und
Fig. 7 eine schematische Darstellung der relativen Stellungen der beweglichen Linsen in einer weiteren Aus führungsvariante des erfindungsgemässen Linsensystems zeigt.
Anhand der Fig. 1 und 2 sollen vorerst die Funktionsweise und die Nachteile der herkömmlichen Linsensysteme veranschaulicht werden, um die Vorteile der Erfindung klarer hervortreten zu lassen.
In Fig. 1 erkennt man eine Basiskonstruktion eines Zoomlinsensystems, wie es in herkömmlichen Kompaktkameras verwendet wird. Es enthält eine Frontfokussierlinse Ll, eine erste bewegliche Linse L2, die Teil eines afokalen Linsensystems ist, eine zweite bewegliche Linse L3 zum afokalen Linsensystem und eine Sammellinse LM. Die Frontfokussierlinse Lz wird lediglich zur Scharfeinstellung entlang ihrer optischen Achse verstellt. Während der Aufnahme wird sie aber nicht mehr bewegt. Die Sammellinse LM ihrerseits ist relativ zur optischen Achse unbeweglich und dient lediglich dazu, die parallelen Lichtstrahlen, die von der beweglichen Linse L3 auf sie auftreffen, auf den Film F zu fokussieren, um darauf ein Bild des abzubildenden Gegenstandes zu erzeugen.
Das bekannte Linsensystem nach Fig. 1A befindet sich in seiner Weitwinkelendlage. Die erste bewegliche Linse L2 bewegt sich bei Verstellen des Linsensystems in Richtung auf die Teleendlage hin entlang der optischen Achse nach rechts.
Gleichzeitig verschiebt sich die zweite bewegliche Linse L3 während des ersten Teils ihrer Verschiebung nach rechts, im zweiten Teil aber nach links, wie dies die entsprechenden Pfeile andeuten. Als Folge dieser Verschiebungen befinden sich die beiden beweglichen Linsen L2 und L3 in der Teleendlage dieses Linsensystems am nächsten beieinander, wie dies üblich und bekannt ist.
Dieses einfache Linsensystem wurde bekannterweise dadurch verbessert, dass die zweite bewegliche Linse L3 durch zwei Linsen ersetzt wurde, nämlich eine Zerstreuungslinse L3F und eine Sammellinse L3B- Durch diese Anordnung, Fig. 1B und 1C, konnte die Aberration des Linsensystems nach Fig. 1A korrigiert werden. Zu erwähnen ist, dass bei diesen verbesserten Linsensystemen nach Fig. 1B und 1C die Funktionen der Linsen L1, L2 und LM den entsprechenden Linsen im Linsensystem nach Fig. 1A identisch sind.
Nach Fig. 1B steht die Sammellinse L3B während der Zoombewegung, ausgehend von der dargestellten Weitwinkeleinstellung des Linsensystems, still, währenddem die erste bewegliche Linse L2 von der extremen Weitwinkellage nach rechts hin verschoben wird, die Zerstreuungslinse L3F im ersten Bewegungsabschnitt nach links und im zweiten Bewegungsabschnitt nach rechts bewegt wird.
Demgegenüber wird im Linsensystem nach Fig. 1C die Zerstreuungslinse L3F während des oben beschriebenen Zoomvorganges festgehalten, währenddem die Sammellinse L3B im ersten Teil der Verstellung vom Weitwinkelbereich in den Teleskopbereich von links nach rechts und im zweiten Teil derselben Verstellung von rechts nach links bewegt wird. Somit entspricht die Bewegung der Linse L3B in Fig. 1C derjenigen der Linse L3 in Fig. 1A.
In diesen konventionellen Zommlinsensystemen sollten die Frontfokussierlinsen einen möglichst grossen Durchmesser aufweisen, um den Effekt der Vignettierung zu vermeiden, der durch die Verschiebung der Frontfokussierlinsen von den eingezogenen Stellungen für die Scharfeinstellung auf naheliegende Objekte in die ausgefahrenen Stellungen für die Scharfeinstellung auf weitentfernte Objekte, entsteht. Dies ist einer der Nachteile der herkömmlichen Zoomlinsensysteme.
Nachteilig ist zudem, dass die Bewegungen der Frontlinsen übermässig gross werden, wenn eine Scharfeinstellung auf extrem nahe am Objektiv befindliche Gegenstände erreicht werden soll. Folglich wird das Objektivgehäuse lang, wodurch es nicht mehr möglich ist, Kompaktkameras herzustellen.
Zudem ist das Gesichtsfeld bei gewöhnlichen Aufnahmen beschränkt. Durch diese optisch bedingten Umzulänglichkeiten der bekannten Zoomlinsensysteme wird die kürzeste Naheinstellung mit derartigen Kameras üblicherweise auf ungefähr einen Meter limitiert. Will man aber einen Gegenstand aufnehmen, der näher an der Kamera liegt, muss vor dem Objektiv eine Nahaufnahmevorsatzlinse befestigt werden.
-Wenn aber eine derartige Vorsatzlinse auf das Objektiv aufgesetzt ist, kann ein kleiner Gegenstand nicht in einer beliebigen Entfernung so aufgenommen werden, dass er das gesamte Sichtfeld ausfüllt, da durch die Brennweite der Vor satzlinse die Aufnahmedistanzen begrenzt und vorgegeben sind. Zudem muss damit gerechnet werden, dass die Qualität eines Bildes eines extrem nahe am Objektiv aufgenommenen Gegenstandes schlecht ist.
Die Scharfeinstellung der Linsensysteme nach Fig. 1A, 1B und 1C kann bekannterweise auch durch die Verstellung weiterer Linsen verbessert werden.
Die vorliegende Erfindung macht sich diese Tatsache zunutze, um ein Linsensystem zu realisieren, mittels welchem auch nahe vor dem Objektiv befindliche Gegenstände ohne die Verwendung einer Vorsatzlinse aufgenommen werden können.
Dazu wird eine vordere bewegliche Linse im afokalen Linsensystem für die Scharfeinstellung auf einen extrem nahe am Objektiv liegenden Gegenstand in ihrer extremen Weitwinkelstellung festgehalten, während eine hintere bewegliche Linse entlang ihrer optischen Achse bewegt wird. Dadurch kann ein Gegenstand in beliebig kleinem Abstand vor dem Objektiv scharf abgebildet werden. In anderen Worten heisst dies, dass jeder Gegenstand, der sich zwischen dem Objektiv und einer unendlichen Distanz vor demselben befindet, jederzeit scharf eingestellt werden kann, ohne dass eine Vorsatzlinse benötigt wird.
Fig. 3 und 4 veranschaulichen eine Ausführungsvariante eines erfindungsgemässen Linsensystems für die Verwendung in einer kleinen Kompaktkamera. Wie ersichtlich, wird dabei ein Linsensystem entsprechend demjenigen nach Fig. 1B verwendet. Wie in Kompaktkameras üblich, ist die Sammellinse LM direkt mit dem nicht dargestellten Kameragehäuse verbunden und befindet sich deshalb nicht im Linsengehäuse, weshalb sie in Fig. 3 auch nicht dargestellt ist. Demgegenüber erkennt man einen Distanzeinstellring 2, der konzentrisch auf einen Hauptzylinder 1 aufgeschraubt werden kann und eine Frontlinse L, trägt. Dieser auf dem vorderen Teil des Hauptzylinders 1 aufgeschraubte Ring 2 ist in Richtung der optischen Achse des Linsensystems beweglich.
Zwischen der inneren Stirnwand des vorderen Endes des Hauptzylinders 1 und einer fest mit dem linken Ende des Hauptzylinders 1 verbundenen Scheibe la, die eine unbewegliche hintere Linse L3B trägt, befinden sich drei Führungsstäbe 3 (Fig. 4), die parallel zu der optischen Achse des Systems angeordnet sind. Wie ersichtlich, weistdie Scheibe la ein Gewinde auf, mittels welchem das Linsengehäuse am Kameragehäuse befestigt werden kann. Ein Führungszylinder 4 ist drehbar und konzentrisch zu dem Hauptzylinder 1 innerhalb desselben angeordnet.
Er ist mittels eines Stiftes 6 mit einem Zoomring 5 verbunden, der sich ausserhalb des Hauptzylinders 1 befindet und gegenüber diesem konzentrisch und drehbar angeordnet ist. Über die Aussenwandung eines Halterahmens 7 für die vordere bewegliche Linse L2 erhebt sich ein Stift 7a, der in eine vordere Führungsrille 8 des Führungszylinders 4 eingreift. Der Halterahmen 7 für die vordere bewegliche Linse L2 ist entlang der drei Führungsstäbe 3 beweglich, ähnlich wie den Halterahmen 9 für die hintere bewegliche Linse L3F, über dessen Aussenwandung ein Stift 9a herausragt und in eine hintere Führungsrille 10 des Führungszylinders 4 eingreift.
Wird der Zoomring 5 von der rechten Seite in Fig. 3 aus gesehen im Gegenuhrzeigersinn gedreht, bewegt sich die hintere bewegliche Linse L3F entlang der Führungsrille 10 zuerst gegen links oder vorne und anschliessend gegen rechts oder hinten, währenddem die vordere bewegliche Linse L2 entlang der Führungsrille 8 nach rechts oder rückwärts bewegt wird. Soweit entspricht die Funktion des erfindungsgemässen Linsensystems im Prinzip demjenigen nach Fig. 1B.
Unterschiedlich ist aber, dass die vordere Führungsrille 8 (Fig. 3) an ihrem oberen Ende, respektive vorderen Teil so verlängert ist, dass sie sich in einer Ebene rechtwinklig zur optischen Achse des Linsensystems weiter über den Führungszylinder 4 erstreckt. Gleichzeitig ist die hintere Führungsrille 10 so verlängert, dass sich ihr oberer Teil nach vorne fortsetzt. Da davon ausgegangen wird, dass Fig. 3 die Linsen L2 und L3F in ihren am weitesten voneinander entfernten Stellungen zeigt, in der bekannterweise die maximale Weitwinkeleinstellung des Linsensystems erreicht ist, sind die oben beschriebenen Verlängerungen der Führungsrillen 8 und 10 in Fig. 3 nicht ersichtlich. Durch diese Verlängerungen der Führungsrillen 8 und 10 ist es möglich, den Zoomring 5 über die extreme Weitwinkeleinstellung des Linsensystems hinauszudrehen.
Das heisst, dass der Zoomring 5 von der in Fig. 3 gezeigten Stellung aus, von rechts gesehen auch im Uhrzeigersinn gedreht werden kann, was dazu führt, dass die hintere bewegliche Linse L3F ähnlich wie oben beschrieben, sich nach links, respektive vorn verschiebt, währenddem die vordere bewegliche Linse L2 unbeweglich bleibt.
Die Relativbewegungen der beiden beweglichen Linsen L2 und L3F in Bezug auf die optische Achse des Linsensystems nach Fig. 3 können graphisch dargestellt werden. Dabei ergeben sich die Kurven nach Fig. 6, in der die Referenznummer 15 die Kurve der Verschiebung der vorderen beweglichen Linse L2 darstellt, die Referenznummer 11 ihrerseits die Kurve der Verschiebung der hinteren beweglichen Linse L3F, die Referenznummer 12 den Zoombereich in den Verschiebungen der beiden Linsen L2 und L3F, und die Referenznummer 13 den Bereich der Verschiebungen obiger Linsen für die Scharfeinstellung auf extrem nahe vor dem Objektiv befindliche Gegenstände.
In der Praxis werden die beiden Führungsrillen 8 und 10 vorteilhafterweise nicht so auf dem Führungszylinder 4 angeordnet, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist, da durch eine derartige Anordnung die Festigkeit desselben reduziert würde, weil sich beide Rillen 8 und 10 zu nahe kommen. Vielmehr wird darauf geachtet dass die Führungsrillen 8 und 10 in etwa so auf dem Führungszylinder 4 angeordnet werden, wie dies aus Fig. 5 hervorgeht.
Die verschiedenen Abschnitte der Führungsnuten 8 und 10 haben dabei nachfolgende Funktionen. Die Abschnitte 12 bestimmen die Zoomverschiebungen der beweglichen Linsen L2 resp. L3F je nachdem, ob sie sich in der Nut 8 oder 10 befinden, und die Nutabschnitte 13 die Verschiebungen derselben Linsen L2 und L3F für die Scharfeinstellung auf extrem nahe vor dem Objektiv befindliche Gegenstände.
Falls der Erfindung ein Linsensystem nach Fig. 1C zugrunde gelegt werden soll, ist darauf zu achten, dass sich die beiden beweglichen Linsen L2 und Lan bei Verstellung des Zoomringes 5 entsprechend den Kurven in Fig. 7 bewegen, damit sich die in Zusammenhang mit der Anordnung in Fig. 3 beschriebenen Eigenschaften einstellen. In diesem Falle bewegt sich die hintere bewegliche Linse L3B für die Scharfeinstellung bei extrem kurzen, abnehmenden Aufnahmedistanzen rückwärts, wie dies aus der Kurve 11 hervorgeht, währenddem die vordere bewegliche Linse L2, wie im obigen Beispiel beschrieben, unbeweglich in der extremen Weitwinkelstellung bleibt, wie dies aus der Kurve 15 ersichtlich ist.
Da die Scharfeinstellung für extrem kurze Aufnahmedistanzen mittels des Zoomringes 5 geschieht, muss vermieden werden, dass dieser unbeabsichtigt über den für die Erzielung des Zoomeffektes benötigten Teil einer Umdrehung hinaus in die Lage gedreht wird, die der Scharfeinstellung auf extrem nahe des Objektivs liegende Gegenstände dient. Um dies zu erreichen, weist der Hauptzylinder 1 in der Ausführungsvariante nach Fig. 3 und 4 eine Nut 11 auf, die in der Ebene des Stiftes 6 liegt und nur so lang ist, dass der Zoomring im Normalfall lediglich um den für die Erzielung des Zoomeffektes benötigten Winkel gedreht werden kann.
Der Zoomring 5 seinerseits weist an seiner Innenseite an vorbestimmter Stelle eine Ausnehmung 12 auf, in welcher sich ein Hebel 13 befindet, der einen überhöhten Teil 13a aufweist, der normalerweise durch eine Feder 14, die sich ebenfalls in besagter Ausnehmung 12 befindet, in die Nut 11 des Haupt zylinders 1 gedrückt wird. An dem Teil 13a des Hebels 13 gegenüberliegenden Ende desselben befindet sich ein durch eine Öffnung des Zoomringes 5 hindurchtretender Stift 13b.
Durch Eindrücken dieses Stiftes 13b wird das Ende 13a des Hebels 13 entgegen der Wirkung der Feder 14 in die Ausnehmung 12 des Zoomringes 5 eingezogen, sodass es nicht mehr in die Nut 11 hineinragt. Die Ausnehmung 12 ist im Zoomring 5 derart angeordnet, dass der Teil 13a des Hebels 13 dann an die Wandung der Nut 11 zu liegen kommt, wenn die beiden beweglichen Linsen L2 und L3F in Fig. 3 die in dieser Figur gezeigte Stellungen einnehmen, das heisst, wenn die maximale Weitwinkeleinstellung des Linsensystems erreicht ist.
Im Normalfall, wenn der Stift 1 3b nicht eingedrückt ist, kann somit der Zoomring 5 nicht über die extreme Weitwinkeleinstellung des Objektivs hinausgedreht werden. Von dieser Lage des Zoomringes 5 aus kann dieser lediglich im Uhrzeigersinn der Fig. 4, also in Richtung der extremen Teleskopeinstellung des Linsensystems gedreht werden, bis der Stift 6 an die entsprechende Wandung der Nut 11 anschlägt. Um das Objektiv scharf auf einen extrem nahe vor der Frontlinse L1 befindlichen Gegenstand einstellen zu können, genügt es, den Stift 13b einzudrücken und den Zoomring 5 über die extreme Weitwinkeleinstellung des Objektivs hinauszudrehen, bis der anvisierte Gegenstand scharf eingestellt ist.
Beim Zurückdrehen des Zoomringes 5 im Uhrzeigersinn der Fig. 4 wird das Ende 13a des Hebels 13 durch die Feder 14 wieder ion die Nut 11 eingerastet und die extreme Weitwinkeleinstellung des Linsensystems erreicht. In diesem Augenblick ist das Linsensystem scharf eingestellt, um einen Gegenstand in unendlicher Distanz abzubilden. Wird der Zoomring 5 weiter im Uhrzeigersinn gedreht, bewirkt dies einen Zoomeffekt.
Eine überaus interessante Anwendung des erfindungsge mässen Linsensystems besteht darin, einen Filmtitel, der sich auf einer transparenten Scheibe befindet, die sich extrem nahe am Objektiv befindet, scharf einzustellen, währenddem sich im unscharf abgebildeten Hintergrund etwas bewegt. Dann wird der Zoomring 5 aus der Stellung, in der besagter Titel scharf abgebildet war, so gedreht, dass das Linsensystem die in Fig. 4 gezeigte Einstellung einnimmt, das heisst, bis die extreme Weitwinkeleinstellung mit unendlicher Fokussierdistanz eingestellt ist, so dass nun der Hintergrund scharf abgebildet wird. Der sich nahe vor dem Objektiv befindliche Titel verschwindet dabei vollständig aus dem Bild.
Damit ist es dank der Erfindung leicht möglich, eine in Werbefilmen oder professionellen Filmen häufig gebrauchte Technik auch dem Amateur zugänglich zu machen, ohne dass dabei die bis anhin verwendeten Drucker benötigt werden.
Der Grund, weshalb es vorteilhaft ist, die vordere bewegliche Linse L2 für die Scharfeinstellung und vergrösserte Abbildung extrem nahe vor dem Objektiv befindlicher Gegenstände in der Weitwinkelstellung und nicht in der Teleskopstellung zu fixieren, ist der folgende:
In den bekannten Zoomlinsensystemen liegt die Hauptebene des Linsensystems auf der Seite des abzubildenden Gegenstandes vor dem Linsensystem, wenn sich das Linsensystem in der Weitwinkeleinstellung befindet, währenddem sie sich in der Teleskopeinstellung des Linsensystems weit hinter dem Linsensystem befindet. Die Hauptebene auf der Bildseite verschiebt sich bei der Verstellung von der Weitwinkeleinstellung in die Teleskopeinstellung nur im Verhältnis der Variation des Vergrösserungsfaktors.
Der Wert der Verschiebung der Hauptebene auf der Bildseite ist dabei wesentlich kleiner als der Wert der Verschiebung der Hauptebene auf der Seite des abzubildenden Gegenstandes. Da die Vergrösserung des Bildes durch das Verhältnis der Distanzen zwischen der Hauptebene auf der Seite des abzubildenden Gegenstandes und dem Gegenstand selbst und der Hauptebene auf der Bildseite und dem Bild ausgedrückt wird, wird die Vergrösserung im Falle der extrem kurzen Aufnahmedistanz, wenn der abzubildende Gegenstand sich sehr nahe am Objektiv befindet, verkleinert und die Hauptebene auf der Seite des abzubildenden Gegenstandes rückwärts bewegt, wenn sich das Linsensystem gegen die Teleskopeinstellung hin bewegt.
Die Erfindung umgeht diesen Nachteil bekannter Linsensysteme dadurch, dass die vordere bewegliche Linse L2 in ihrer Weitwinkelstellung festgehalten wird, was zusammen mit den Vorteilen der einfachen Konstruktion einen der wesentlichsten Vorteile der Erfindung darstellt.
Zudem ist es in der allgemeinen Nahaufnahmetechnik praktisch unmöglich, ein Bild eines sich nur einige Millimeter vor dem Objektiv befindlichen Gegenstandes aufzunehmen, da extrem kurze Aufnahmedistanzen sich negativ auf die Bildqualität auswirken. Im Falle, wo eine Vorsatzlinse vor dem Zoomlinsensystem verwendet wird, um kurze Aufnahmedistanzen zu ermöglichen, wird der Einflut der Aberration der Linse wesentlich vergrössert, auch wenn deren Aberration für den Normalfall genügend korrigiert wurde. Dank der Erfindung wird die Bildqualität aber selbst bei extrem kurzen Aufnahmedistanzen aufrecht erhalten, da die relativen Lagen der Linsen im Linsensystem nur unwesentlich verändert werden und lediglich ein Luftspalt im Linsensystem leicht verändert wird.
Abschliessend soll noch eine allgemeine Formel für die Berechnung der Verschiebung der hinteren beweglichen Linse für die Einstellung des Linsensystems auf extrem kurze Aufnahmedistanzen entsprechend der vorliegenden Erfindung beschrieben werden. Diese Formel soll in Abhängigkeit des Aufnahmegegenstandes vom Objektiv angegeben werden.
Im Zoomlinsensystem nach Fig. 2 sollte der Wert der Verschiebung < 3 der Bildebene zwischen der Fokussierung der Linsen L1 und L2 auf eine unendliche Aufnahmedistanz und einer Fokussierung der Linsen L1 und L2 auf eine extrem kurze Aufnahmedistanz der nachfolgenden Formel genügen, da die von der letzten Linse L4 des afokalen Linsensystems auf die Sammellinse LM geworfenen Lichtstrahlen parallel zueinander sein müssen, solange das Linsensystem ein Zoomlinsensystem ist.
f12 . f22
S-fI < 3 = 22 (1) A(A+ )
S-f, worin A=f1+f2d12
428 und S die Distanz vom Gegenstand O in extremer Nähe der Frontlinse L1; fl, f2, f3, die Brennweiten der Linsen Lç, L2, L3; und d1.2 die Distanz zwischen den Linsen L1 und L2 bei der maximalen Weitwinkeleinstellung des Linsensystems während einer gewöhnlichen Aufnahme darstellen.
Der Wert der Verschiebung 83 der Linse L3 zum Kompensieren der Distanz b zwischen obigen Fokussierdistanzen durch die Linse L3 sollte der nachfolgenden Formel genügen
EMI3.1
worin B =- (F3 + 4 - d3.4); d3.4 die Distanz zwischen den Linsen L3 und L4 im Zeitpunkt der maximalen Weitwinkeleinstellung bei gewöhnlichen Aufnahmen darstellt
Die obige Formel lässt erkennen, dass das Zoomlinsensystem auf einen Gegenstand O in beliebig kurzer Distanz vor dem Objektiv scharf eingestellt werden kann, wenn die Linse L3 um eine Distanz 83 verschoben wird.
Ferner ist zu vermerken, dass, wenn in einem erfindungsgemässen Linsensystem eine so einfache Linsenanordnung wie sie in Fig. 1A dargestellt ist, verwendet wird, das Linsensystem ebenfalls auf jeden Gegenstand in beliebiger Nähe des Objektivs scharf eingestellt werden kann, wenn die hintere bewegliche Linse L3 um einen Wert Ï verschoben wird.
Wie aus den vorangehenden Formeln (1) und (2) hervorgeht, ist der Wert der Verschiebung der hinteren beweglichen Linse L3 zum Scharfeinstellen des Linsensystems auf einen extrem nahe am Objektiv befindlichen Gegenstand verhältnismässig klein. Dadurch ist es einfach, das Zoomlinsensystem gemäss der Erfindung mit zusätzlichen Linsen zu versehen und den Zoombereich auf dem Führungszylinder 4 (Fig. 5, 6 und 7) genügend lang auszugestalten. Entsprechend kann der Drehwinkel des Zoomringes 5 zum Fokussieren des Linsensystems auf einen extrem nahe am Objektiv befindlichen Gegenstand ebenfalls recht gross gewählt werden. Dadurch wird die Scharfeinstellung des Linsensystems auf einen sich sehr nahe vor dem Objektiv befindlichen Gegenstand wesentlich vereinfacht.
The present invention relates to a zoom lens system which is suitable for extremely short shooting distances and has a front and a rear movable lens which are arranged between a front focusing lens, which is used exclusively for focusing, and a collecting lens.
In known zoom lens systems of this construction, which are also known as vario optics and rubber lenses, recordings with an extremely short recording distance are only possible by means of an additional lens attached in front of the front lens.
In this case, however, the focus range is limited and it is no longer possible to record an object of any size at any distance in the visual field of the lens. Furthermore, if the recording distance is extremely short, there is a risk that the quality of the image will deteriorate.
The present invention is based on the object of eliminating these disadvantages of the known zoom lens systems and of realizing such a system that can record objects at any distance from the camera without an auxiliary lens and can be made small.
According to the invention, this object is achieved in that means are provided for focusing on extremely close objects, which move the rear movable lens along its optical axis while the front movable lens remains in its extremely wide-angle position.
According to a further aspect of the invention, a front and a rear control groove is provided in a control cylinder for controlling the movements of said front and rear movable lenses each fastened in a lens holder, the front control groove extending from the point corresponding to the extreme wide-angle setting in a to the optical axis perpendicular plane, while the rear control groove extends from the same point in a plane inclined to the optical axis.
Further properties of the zoom lens system according to the invention and the advantages achieved therewith over conventional lens systems of this type emerge from the following description of exemplary embodiments with reference to the drawing, in which
1A, 1B and 1C show longitudinal sections through known zoom lens systems of the type mentioned above,
FIG. 2 shows a lens system according to FIG. 1B in section, the elements necessary for understanding the functioning of this lens system being entered,
FIG. 3 shows a longitudinal section through an embodiment variant of a lens system according to the invention which contains a lens arrangement according to FIG. 1B in a small-sized tube,
Fig. 4 shows a section through the objective according to Fig. 3 along the line IV-IV,
Fig.
5 shows a developed view of an embodiment of a control cylinder of the lens system according to the invention,
Figure 6 is a schematic representation of the relative positions of the movable lenses and
7 shows a schematic representation of the relative positions of the movable lenses in a further embodiment variant of the lens system according to the invention.
1 and 2, the mode of operation and the disadvantages of the conventional lens systems are first to be illustrated in order to make the advantages of the invention more clearly apparent.
1 shows a basic construction of a zoom lens system as used in conventional compact cameras. It contains a front focusing lens Ll, a first movable lens L2, which is part of an afocal lens system, a second movable lens L3 for the afocal lens system and a converging lens LM. The front focusing lens Lz is only adjusted for focusing along its optical axis. However, it is no longer moved during recording. The converging lens LM, for its part, is immovable relative to the optical axis and only serves to focus the parallel light beams which impinge on it from the movable lens L3 onto the film F in order to generate an image of the object to be imaged thereon.
The known lens system according to FIG. 1A is in its wide-angle end position. When the lens system is adjusted in the direction of the telephoto end position, the first movable lens L2 moves to the right along the optical axis.
At the same time, the second movable lens L3 shifts to the right during the first part of its shift, but to the left in the second part, as indicated by the corresponding arrows. As a result of these shifts, the two movable lenses L2 and L3 are closest to one another in the telephoto end position of this lens system, as is customary and known.
As is known, this simple lens system has been improved by replacing the second movable lens L3 with two lenses, namely a diverging lens L3F and a converging lens L3B. This arrangement, FIGS. 1B and 1C, made it possible to correct the aberration of the lens system according to FIG. 1A . It should be mentioned that in these improved lens systems according to FIGS. 1B and 1C, the functions of the lenses L1, L2 and LM are identical to the corresponding lenses in the lens system according to FIG. 1A.
According to FIG. 1B, the converging lens L3B stands still during the zoom movement, starting from the illustrated wide-angle setting of the lens system, while the first movable lens L2 is shifted from the extreme wide-angle position to the right, the diverging lens L3F in the first movement segment to the left and in the second movement segment is moved to the right.
In contrast, in the lens system according to FIG. 1C, the diverging lens L3F is held during the zooming process described above, while the converging lens L3B is moved from left to right in the first part of the adjustment from the wide-angle range to the telescope range and from right to left in the second part of the same adjustment. Thus, the movement of lens L3B in Fig. 1C corresponds to that of lens L3 in Fig. 1A.
In these conventional zoom lens systems, the front focusing lenses should have as large a diameter as possible in order to avoid the effect of vignetting caused by shifting the front focusing lenses from the retracted positions for focusing on nearby objects to the extended positions for focusing on objects that are far away. This is one of the disadvantages of the conventional zoom lens systems.
It is also disadvantageous that the movements of the front lenses become excessively large when focusing on objects extremely close to the lens is to be achieved. As a result, the lens body becomes long, making it impossible to manufacture compact cameras.
In addition, the field of view is limited in normal recordings. As a result of these optically related inadequacies of the known zoom lens systems, the shortest close-up setting with cameras of this type is usually limited to approximately one meter. However, if you want to record an object that is closer to the camera, a close-up lens must be attached in front of the lens.
-When such an auxiliary lens is placed on the objective, a small object cannot be recorded at any distance in such a way that it fills the entire field of view, since the recording distances are limited and specified by the focal length of the auxiliary lens. In addition, it must be expected that the quality of an image of an object recorded extremely close to the lens is poor.
As is known, the focusing of the lens systems according to FIGS. 1A, 1B and 1C can also be improved by adjusting further lenses.
The present invention makes use of this fact in order to realize a lens system by means of which objects located close in front of the objective can also be recorded without the use of an auxiliary lens.
For this purpose, a front movable lens in the afocal lens system for focusing on an object lying extremely close to the lens is held in its extreme wide-angle position, while a rear movable lens is moved along its optical axis. As a result, an object can be shown in focus at any small distance in front of the lens. In other words, this means that any object that is between the objective and an infinite distance in front of it can be focused at any time without the need for an auxiliary lens.
3 and 4 illustrate a variant embodiment of a lens system according to the invention for use in a small compact camera. As can be seen, a lens system corresponding to that of FIG. 1B is used. As is customary in compact cameras, the converging lens LM is directly connected to the camera housing (not shown) and is therefore not located in the lens housing, which is why it is not shown in FIG. 3 either. In contrast, a distance setting ring 2 can be seen which can be screwed concentrically onto a master cylinder 1 and which carries a front lens L. This ring 2 screwed onto the front part of the master cylinder 1 is movable in the direction of the optical axis of the lens system.
Between the inner end wall of the front end of the master cylinder 1 and a fixed to the left end of the master cylinder 1 connected disc la, which carries an immovable rear lens L3B, there are three guide rods 3 (Fig. 4), which are parallel to the optical axis of the System are arranged. As can be seen, the disc la has a thread by means of which the lens housing can be attached to the camera housing. A guide cylinder 4 is rotatable and arranged concentrically with the master cylinder 1 inside the same.
It is connected by means of a pin 6 to a zoom ring 5 which is located outside the main cylinder 1 and is arranged concentrically and rotatably with respect to it. A pin 7 a, which engages in a front guide groove 8 of the guide cylinder 4, rises above the outer wall of a holding frame 7 for the front movable lens L2. The holding frame 7 for the front movable lens L2 can be moved along the three guide rods 3, similar to the holding frame 9 for the rear movable lens L3F, over the outer wall of which a pin 9a protrudes and engages in a rear guide groove 10 of the guide cylinder 4.
If the zoom ring 5 is rotated counterclockwise as seen from the right side in FIG. 3, the rear movable lens L3F moves along the guide groove 10 first to the left or front and then to the right or back, while the front movable lens L2 moves along the guide groove 8 is moved to the right or backwards. To this extent, the function of the lens system according to the invention corresponds in principle to that according to FIG. 1B.
What is different, however, is that the front guide groove 8 (FIG. 3) is extended at its upper end or front part in such a way that it extends further over the guide cylinder 4 in a plane at right angles to the optical axis of the lens system. At the same time, the rear guide groove 10 is extended so that its upper part continues to the front. Since it is assumed that FIG. 3 shows the lenses L2 and L3F in their most distant positions, in which, as is known, the maximum wide-angle setting of the lens system is reached, the extensions of the guide grooves 8 and 10 described above cannot be seen in FIG . These extensions of the guide grooves 8 and 10 make it possible to turn the zoom ring 5 beyond the extreme wide-angle setting of the lens system.
This means that, from the position shown in FIG. 3, the zoom ring 5 can also be rotated clockwise when viewed from the right, which means that the rear movable lens L3F, similar to that described above, moves to the left or front, while the front movable lens L2 remains immobile.
The relative movements of the two movable lenses L2 and L3F with respect to the optical axis of the lens system according to FIG. 3 can be represented graphically. This results in the curves according to FIG. 6, in which the reference number 15 represents the curve of the displacement of the front movable lens L2, the reference number 11 in turn the curve of the displacement of the rear movable lens L3F, the reference number 12 the zoom range in the displacements of the two Lenses L2 and L3F, and the reference number 13 the range of displacements of the above lenses for focusing on objects extremely close in front of the lens.
In practice, the two guide grooves 8 and 10 are advantageously not arranged on the guide cylinder 4 as shown in FIG. 3, since such an arrangement would reduce the strength of the same because the two grooves 8 and 10 come too close. Rather, care is taken that the guide grooves 8 and 10 are arranged on the guide cylinder 4 in approximately the same way as can be seen from FIG. 5.
The different sections of the guide grooves 8 and 10 have the following functions. The sections 12 determine the zoom shifts of the movable lenses L2, respectively. L3F depending on whether they are located in the groove 8 or 10, and the groove sections 13 the displacements of the same lenses L2 and L3F for focusing on objects extremely close in front of the lens.
If the invention is based on a lens system according to FIG. 1C, it must be ensured that the two movable lenses L2 and Lan move according to the curves in FIG. 7 when the zoom ring 5 is adjusted so that they move in connection with the arrangement Set properties described in Fig. 3. In this case, the rear movable lens L3B for focusing moves backward at extremely short, decreasing shooting distances, as shown in curve 11, while the front movable lens L2, as described in the example above, remains immovable in the extreme wide-angle position, as this can be seen from curve 15.
Since the focus is set for extremely short shooting distances by means of the zoom ring 5, it must be avoided that it is inadvertently turned beyond the part of a revolution required to achieve the zoom effect into the position that is used for focusing on objects extremely close to the lens. In order to achieve this, the master cylinder 1 in the embodiment according to FIGS. 3 and 4 has a groove 11 which lies in the plane of the pin 6 and is only so long that the zoom ring is normally only by the amount required to achieve the zoom effect required angle can be rotated.
The zoom ring 5 in turn has on its inside at a predetermined point a recess 12 in which there is a lever 13 which has a raised part 13a which is normally inserted into the groove by a spring 14, which is also located in said recess 12 11 of the main cylinder 1 is pressed. At the part 13a of the lever 13 opposite end of the same is a pin 13b which passes through an opening of the zoom ring 5.
By pressing in this pin 13b, the end 13a of the lever 13 is drawn into the recess 12 of the zoom ring 5 against the action of the spring 14, so that it no longer protrudes into the groove 11. The recess 12 is arranged in the zoom ring 5 in such a way that the part 13a of the lever 13 comes to rest against the wall of the groove 11 when the two movable lenses L2 and L3F in FIG. 3 assume the positions shown in this figure, that is to say when the maximum wide-angle setting of the lens system is reached.
In the normal case, when the pin 1 3b is not pressed in, the zoom ring 5 cannot be rotated beyond the extreme wide-angle setting of the lens. From this position of the zoom ring 5, it can only be rotated clockwise in FIG. 4, that is, in the direction of the extreme telescopic setting of the lens system, until the pin 6 hits the corresponding wall of the groove 11. In order to be able to focus the lens on an object located extremely close in front of the front lens L1, it is sufficient to press in the pin 13b and to turn the zoom ring 5 beyond the extreme wide-angle setting of the lens until the object is in focus.
When the zoom ring 5 is rotated back clockwise in FIG. 4, the end 13a of the lever 13 is locked into the groove 11 again by the spring 14 and the extreme wide-angle setting of the lens system is achieved. At this moment the lens system is focused in order to image an object at an infinite distance. If the zoom ring 5 is turned further clockwise, this causes a zoom effect.
An extremely interesting application of the lens system according to the invention is to focus a film title that is located on a transparent disk that is extremely close to the lens, while something is moving in the background that is out of focus. Then the zoom ring 5 is rotated from the position in which the said title was in focus so that the lens system assumes the setting shown in FIG. 4, that is, until the extreme wide-angle setting is set with infinite focusing distance, so that the background is now is in focus. The title close to the lens disappears completely from the picture.
Thanks to the invention, it is thus easily possible to make a technology that is frequently used in commercials or professional films available to the amateur, without the need for the printers that have been used up to now.
The reason why it is advantageous to fix the front movable lens L2 in the wide-angle position and not in the telescope position for focusing and magnifying objects extremely close in front of the lens is as follows:
In the known zoom lens systems, the main plane of the lens system lies on the side of the object to be imaged in front of the lens system when the lens system is in the wide-angle setting, while in the telescope setting of the lens system it is far behind the lens system. When moving from the wide-angle setting to the telescope setting, the main plane on the image side only shifts in proportion to the variation in the magnification factor.
The value of the displacement of the main plane on the image side is significantly smaller than the value of the displacement of the main plane on the side of the object to be imaged. Since the magnification of the image is expressed by the ratio of the distances between the main plane on the object to be imaged side and the object itself and the main plane on the image side and the image, the magnification becomes in the case of the extremely short shooting distance when the object to be imaged is located is very close to the lens, and the main plane moves backwards on the side of the object to be imaged when the lens system moves against the telescope setting.
The invention circumvents this disadvantage of known lens systems in that the front movable lens L2 is held in its wide-angle position, which, together with the advantages of the simple construction, represents one of the most essential advantages of the invention.
In addition, in general close-up photography it is practically impossible to take a picture of an object only a few millimeters in front of the lens, since extremely short recording distances have a negative effect on the image quality. In the case where an auxiliary lens is used in front of the zoom lens system in order to enable short shooting distances, the influence of the aberration of the lens is significantly increased, even if its aberration has been sufficiently corrected for the normal case. Thanks to the invention, the image quality is maintained even with extremely short recording distances, since the relative positions of the lenses in the lens system are only changed insignificantly and only an air gap in the lens system is slightly changed.
Finally, a general formula for calculating the displacement of the rear movable lens for setting the lens system to extremely short shooting distances according to the present invention will be described. This formula should be specified depending on the subject of the lens.
In the zoom lens system according to FIG. 2, the value of the shift <3 of the image plane between the focusing of the lenses L1 and L2 on an infinite recording distance and a focusing of the lenses L1 and L2 on an extremely short recording distance should satisfy the following formula, since that of the last Lens L4 of the afocal lens system on the converging lens LM light rays must be parallel to each other, as long as the lens system is a zoom lens system.
f12. f22
S-fI <3 = 22 (1) A (A +)
S-f, where A = f1 + f2d12
428 and S the distance from the object O in the extreme vicinity of the front lens L1; fl, f2, f3, the focal lengths of the lenses Lç, L2, L3; and d1.2 represent the distance between the lenses L1 and L2 at the maximum wide-angle setting of the lens system during an ordinary exposure.
The value of the displacement 83 of the lens L3 to compensate for the distance b between the above focusing distances by the lens L3 should satisfy the following formula
EMI3.1
wherein B = - (F3 + 4 - d3.4); d3.4 represents the distance between the lenses L3 and L4 at the time of the maximum wide-angle setting for normal recordings
The above formula shows that the zoom lens system can be focused on an object O at any short distance in front of the lens if the lens L3 is shifted by a distance 83.
It should also be noted that if such a simple lens arrangement as shown in FIG. 1A is used in a lens system according to the invention, the lens system can likewise be focused on any object in any vicinity of the objective if the rear movable lens L3 is shifted by a value Ï.
As can be seen from the foregoing formulas (1) and (2), the amount of displacement of the rear movable lens L3 for focusing the lens system on an object extremely close to the lens is relatively small. This makes it easy to provide the zoom lens system according to the invention with additional lenses and to design the zoom area on the guide cylinder 4 (FIGS. 5, 6 and 7) to be sufficiently long. Accordingly, the angle of rotation of the zoom ring 5 for focusing the lens system on an object located extremely close to the objective can also be selected to be quite large. This significantly simplifies the focusing of the lens system on an object very close in front of the lens.