DE3541583C2

DE3541583C2 -

Info

Publication number: DE3541583C2
Application number: DE3541583A
Authority: DE
Inventors: Nozomu Hachioji Tokio/Tokyo Jp Kitagishi; Hiroki Nakayama; Jun Yokohama Kanagawa Jp Hattori; Shigeyuki Suda; Akihisa Tokio/Tokyo Jp Horiuchi
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1984-11-26
Filing date: 1985-11-25
Publication date: 1989-11-16
Also published as: DE3541583A1; US5054898A; DE3546744C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Varioobjektiv gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein derartiges Varioobjektiv gehört zum allgemeinen Stand der Technik und weist einen mehrgruppigen Aufbau auf, bei dem die objektseitig angeordnete Linsengruppe eine positive Brechkraft und eine im Strahlengang dahinter angeordnete Linsengruppe eine negative Brechkraft aufweist. Zur Brennweitenänderung wird der Luftabstand zwischen der ersten Linsengruppe und der zweiten Linsengruppe verändert. Ein derartiges Varioobjektiv kann beispielsweise aus vier Linsengruppen, wie es in der DE-OS 33 30 689 dargestellt ist, oder aus drei Linsengruppen aufgebaut sein, wie es aus der DE-OS 30 37 524 bekannt ist. In beiden Fällen dient die erste Linsengruppe als Fokussierlinsengruppe, während die zweite und die dritte Linsengruppe als Variator- bzw. als Kompensator-Linsengruppe dienen und zur Brennweitenänderung um unterschiedliche Strecken entlang der optischen Achse verschoben werden.

Wenn bei einem Varioobjektiv eine Linsengruppe verschoben wird, ändert sich der Einfallswinkel der Lichtstrahlen auf die Linsenoberflächen, deren Austrittswinkel und auch die Einfallshöhe, d. h. der Abstand zwischen dem Eintrittspunkt des Lichtstrahls und der optischen Achse. Aufgrund dieser sich verändernden Bedingungen in der beweglichen Linsengruppe ist es bei einem Varioobjektiv notwendig, die Aberrationen jeder Linsengruppe so zu korrigieren, daß die Veränderungen der Aberrationen bei einer Brennweitenänderung minimiert sind, und die einzelnen Linsengruppen derart auszubilden, daß ihre verbleibenden Aberrationen sich gegebenenfalls gegenseitig aufheben.

Der Brennweiteneinstellbereich eines Varioobjektivs sollte möglichst groß sein. Für einen Konstrukteur von Varioobjektiven gibt es zur Erzielung dieser konstruktiven Vorgabe die Möglichkeit, die Gesamtlänge des Varioobjektivs zu erhöhen, um dadurch die möglichen Verstellwege für die bewegbaren Linsengruppen zu vergrößern, womit allerdings der Nachteil großer Abmessungen und eines relativ hohen Gewichts des Varioobjektivs verbunden ist. Alternativ dazu ist es möglich, die Brechkräfte der einzelnen Linsen zu erhöhen, wodurch es jedoch sehr schwierig oder unmöglich ist, eine ausreichende Aberrationskorrektion über den gesamten Brennweiteneinstellbereich zu erzielen. Unter anderem ist es sehr schwierig, die Petzval-Summe zu korrigieren, wenn durch eine stärkere Brechkraft aller Linsengruppen die Gesamtlänge des Varioobjektivs, d. h. der Abstand vom vorderen Scheitelpunkt zur Bildebene verkleinert wird.

Wenn in diesem Zusammenhang beispielsweise das bekannte aus vier Linsengruppen bestehende Varioobjektiv betrachtet wird, so existieren zwei Methoden, um die Baulänge eines derartigen Varioobjektivs zu verkürzen: (1) Durch Erhöhung der Brechkraft jeder Linsengruppe im Varioabschnitt oder (2) durch Reduzierung des Tele-Verhältnisses des Relaisabschnittes. Im ersten Fall verbleibt für die zweite Linsengruppe als Variator, der üblicherweise die größte negative Brechkraft aufweist, ein großer Wert für die Petzval-Summe, was zur Folge hat, daß die Bildfeldkrümmung extrem überkorrigiert ist. Im zweiten Fall wird durch die Reduzierung des Tele-Verhältnisses der Relaislinsengruppe das Vorzeichen der Petzval-Summe negativ, was ebenfalls zu einer Überkorrektion der Bildfeldkrümmung führt.

Wenn zur Korrektion der Petzval-Summe die Brechkraft einer positiven Linse verringert oder eine positive Linse größerer Brechkraft mit einer negativen Linse kombiniert ist, wird eine sehr große sphärische Aberration erzeugt, die wiederum durch die anderen Linsengruppen nicht korrigiert werden kann.

Dies ist nicht nur auf Varioobjektive mit dem genannten Aufbau beschränkt, sondern trifft auch auf andere Ausführungsformen zu, beispielsweise diejenigen, bei denen sich die erste positive Linsengruppe zu Erhöhung der Brennweite axial vorwärtsbewegt, oder diejenigen, bei denen sich auch die vierte Linsengruppe während einer Brennweitenveränderung axial bewegt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Varioobjektiv geringer Größe und geringen Gewichts zu schaffen, das einen großen Brennweiteneinstellbereich und eine gute Aberrationskorrektion aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.

Durch die Anordnung einer Linse mit Brechzahlverteilung in der negativen zweiten Linsengruppe benötigt die zweite Linsengruppe aufgrund einer geringeren Anzahl von Linsen einen nur geringen Bauraum, so daß der Luftabstand zwischen der ersten und zweiten bzw. zwischen der zweiten und der dritten Linsengruppe vergrößert ist und somit ein vergrößerter Verschiebeweg für die relative Verschiebung dieser Linsengruppen zur Verfügung steht, wodurch der Brennweiteneinstellbereich vergrößert werden kann, ohne die Gesamtlänge des Varioobjektivs zu vergrößern.

Darüber hinaus ist die erfindungsgemäße Ausbildung der negativen zweiten Linsengruppe des Varioobjektivs, die üblicherweise die Variator-Linsengruppe ist, hinsichtlich der Aberrationkorrektion äußerst vorteilhaft. Wenn die Bedingung ϕ×N₁<0 erfüllt ist, trägt das Innere der Linse mit Brechzahlverteilung zur Erzielung der negativen Brechkraft der zweiten Linsengruppe bei, so daß die Krümmungen der Linsenoberflächen der zweiten Linsengruppe verringert werden können, wodurch die Aberrationen höherer Ordnung auf ein Minimum begrenzt werden können. Desweiteren ist es möglich, mittels der Linse mit Brechzahlverteilung die Petz val-Summe und die sphärischen Aberrationen des Gesamtsystems zu kompensieren.

Wenn die Linse mit Brechzahlverteilung als negativer Variator eines Varioobjektivs verwendet wird und die Bedingung N₁<0 erfüllt ist, kann die Bildfeldkrümmung reduziert werden, wodurch das Varioobjektiv ein einfacher Weise kompakt ausgebildet werden kann.

Bei den nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen wird von zwei Typen von Linsen mit Brechzahlverteilung wahlweise oder in Kombination Gebrauch gemacht, wobei sich bei einem Typ die Brechzahl mit zunehmender Höhe von der optischen Achse ändert (im folgenden als radialer Typ bezeichnet) und wobei sich bei dem anderen Typ die Brechzahl mit zunehmendem axialen Abstand von dem vorderen Scheitelpunkt der Linse ändert (im folgenden als axialer Typ bezeichnet). Es gibt noch einen weiteren Typ, der eine kombinierte Brechzahlverteilung des radialen und des axialen Typs aufweist. Von den Linsen des radialen Typs werden diejenigen, deren Brechzahl mit zunehmender Höhe von der optischen Achse geringer wird, im folgenden als Linsen positiver Stärke, und diejenigen, deren Brechzahl mit zunehmender Höhe von der optischen Achse größer wird, im folgenden als Linsen negativer Stärke bezeichnet. Beim axialen Typ gibt es vier unterschiedliche Brechzahlverteilungen, wobei die Brechzahl in Abhängigkeit vom axialen Abstand vom vorderen Scheitelpunkt der Linse größer oder kleiner werden kann und wobei in einem mittleren Bereich der axialen Dicke der Linse ein Minimalwert oder ein Maximalwert auftreten kann.

Um insbesondere die chromatischen Aberrationen zu korrigieren, wird entweder eine Linse mit Brechzahlverteilung vom radialen Typ, bei der der Gradient der Brechzahl für kurze Wellenlängen im achsparallelen Bereich geringer als für lange Wellenlängen ist, oder eine Linse vom axialen Typ verwendet, bei der der Gradient der Brechzahl für kurze Wellenlängen am vorderen Scheitelpunkt oder in dessen Nähe geringer als für lange Wellenlängen ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Varioobjektivs sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung im einzelnen erläutert. Es zeigen

die Fig. 1-17 mit ungeraden Nummern Längsschnitte durch 9 Ausführungsformen von erfindungsgemäß ausgebildeten Varioobjektiven,

die Fig. 2A-2C bis 18A-18C mit geraden Nummern grafische Darstellungen der verschiedenen Aberrationen der zugeordneten Varioobjektive in den Weitwinkel-, Zwischen- und Telepositionen.

In Fig. 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines Varioobjektives dargestellt, dessen nummerische Daten im Zahlenbeispiel 1 aufgelistet sind. Das Varioobjektiv besitzt von vorne nach hinten gesehen eine erste positive Linsengruppe 11, die während der Brennweitenveränderung ortsfest ist, eine zweite negative Linsengruppe 12, die zur Veränderung der Bildvergrößerung axial beweglich ist, eine dritte positive Linsengruppe 13, die zur Kompensation der Bildverschiebung axial beweglich ist, und eine vierte positive Linsengruppe 14, die während der Brennweitenveränderung ortsfest bleibt. Die zweite Linsengruppe 12 oder der sog. Variator ist mit einer negativen Linse mit Brechzahlverteilung vom radialen Typ versehen.

Diese Linse unterscheidet sich von einer üblichen Linse aus homogenem Material dadurch, daß auch das Innere der Linse eine konvergierende oder divergierende Wirkung ausübt und somit zu einem Anstieg der Brechkraft beiträgt. In diesem Beispiel beträgt die innere Brechkraft ⁵/₆ der Gesamtbrechkraft des Variators. Auch die Fähigkeit zur Korrektur von Aberrationen ist verbessert. Während üblicherweise drei bis fünf homogene Linsen erforderlich sind, um den Variator zu bilden, wird es hierdurch möglich, eine einzige Linse des vorstehend genannten Typs einzusetzen. Diese Linse kann darüberhinaus mit schwachen Oberflächenkrümmungen versehen sein.

Die Linse mit Brechzahlverteilung besitzt, obwohl es sich nur um eine Linse handelt, die Fähigkeit, Aberrationen gegen Brennweitenveränderungen zu stabilisieren und ist besonders gut geeignet, die Petz val-Summe und sphärische Aberrationen zu korrigieren.

Die Petzval-Summe dieser Linse kann ausgedrückt werden durch P=ϕ gi/N₀², wobei es sich bei ϕ gi um die Linsenbrechkraft aufgrund der konvergierenden oder divergierenden Wirkung des Linseninneren ausgedrückt als Brennweite des Gesamtsystems und auf die Maßeinheit zurückgeführt und bei N₀ um die Brechzahl handelt. Da hierbei im Vergleich zu einer üblichen Linse, deren Petzval-Summe P=ϕ /N beträgt, die Petzval-Summe umgekehrt proportional zum Quadrat der Brechzahl N ist, besitzt diese Linse eine geringe Petzval-Summe.

Bei dem ersten Beispiel wird die Petzval-Summe zu einem kleinen Wert mit negativem Vorzeichen. Wenn man ein sphärisches System mit der gleichen Brechkraft wie bei diesem Beispiel voraussetzt, liegt der Wert der Petzval- Summe des Variators im Bereich von -1,25 bis -1,30. Dieser Wert wird jedoch bei diesem Beispiel der Erfindung auf -1,025 reduziert. Dies bedeutet, daß bei äquivalenter Bildqualität die Brechkraft des Varioabschnittes ansteigen oder das Tele-Verhältnis des Relaisabschnittes absinken kann und daß durch die Verwendung der Linse des vorstehend genannten Typs im Vergleich zu dem sphärischen System die Möglichkeit einer Reduzierung der Gesamtlänge des Varioobjektivs gegeben ist. Der Variator erzeugt einen geringeren negativen Wert der Petzval-Summe als dies bisher möglich war, was den Vorteil mit sich bringt, daß Raum geschaffen wird, um die Verkürzung der Gesamtlänge des Varioobjektivs durchführen zu können. Beim Ausführungsbeispiel 1 findet die Methode zur Verringerung des Tele- Verhältnisses des Relaisabschnittes Verwendung, so daß die Länge des Gesamtsystems 254,8 mm und das Verhältnis zur längsten Brennweite 0,836 beträgt. Ein anderer, aus der Verbesserung der Petzval-Summe resultierender Vorteil ist darin zu sehen, daß die Brechzahl des ersten positiven Linsenelementes im Relaisabschnitt erhöht wird, so daß eine gute Korrektur von sphärischen Aberrationen erreicht wird.

Obwohl bei dem Ausführungsbeispiel nur ein einziges Linsenelement im Variator vorhanden ist, wird ein gutes Ergebnis hinsichtlich der Korrektur von sphärischen Aberrationen erzielt, wie aus den Fig. 2A bis 2C hervorgeht.

Die Linse mit Brechzahlverteilung besitzt die Fähigkeit einer Selbstkorrektur von sphärischen Aberrationen, wenn Lichtstrahlen in gekrümmten Bahnen die Linse durchlaufen. Diese Krümmung wird durch die Form der Brechzahlverteilung im Inneren der Linse bestimmt. Wenn man die Form der Verteilung durch N (h)=N₀+N₁ h²+N₂ h⁴+N₃ h⁶+ . . .) definiert, kann man sie durch Steuern des Koeffizienten N₂ realisieren.

Fig. 3 zeigt die Verwendung von zwei Linsen mit Brechzahlverteilung vom radialen Typ als negative zweite Linsengruppe gemäß einem zweiten Beispiel eines Varioobjektives, dessen nummerische Daten im Zahlenbeispiel 2 aufgeführt sind. Dieses Varioobjektiv besitzt von vorne nach hinten gesehen eine erste positive Linsengruppe 21, eine zweite negative Linsengruppe 22, eine dritte positive Linsengruppe 23 und eine vierte positive Linsengruppe 24, wobei sich die erste und dritte Linsengruppe 21 und 23 relativ zueinander axial bewegen, während die zweite und vierte Linsengruppe bei der Brennweitenveränderung ortsfest bleiben. Obwohl die zweite Linsengruppe 22 ortsfest ist, ist sie für den größten Teil der Bildvergrößerungsänderung verantwortlich. Da sie ortsfest angeordnet ist, bietet sie den Vorteil einer Vereinfachung des Aufbaues des Funktionsmechanismus für die Linsengruppen bei der Brennweitenveränderung.

Diese Art von Varioobjektiv ist geeignet, wenn die kürzeste Brennweite herabgesetzt ist. Um jedoch das Brennweitenverhältnis bis auf drei oder darüber zu erhöhen, muß die Brennweite der zweiten Linsengruppe beträchtlich verkürzt werden. Daher wird der Krümmungsradius der konkaven Fläche eines Linsenelementes, das einen Teil der zweiten Linsengruppe bildet, klein, wordurch große Aberrationen verbleiben, die durch eine Erhöhung der Anzahl der Linsenelemente schwierig zu beseitigen sind.

Dadurch, daß man Linsen mit Brechzahlverteilung verwendet, insbesondere eine negative Meniskuslinse, die besonders geeignet ist, zur negativen Gesamtbrechkraft der zweiten Linsengruppe beizutragen, indem sie aufgrund der Brechzahlverteilung im Inneren einen Mehrbetrag an negativer Brechkraft zur Verfügung stellt, ist es möglich, deren hintere konkave Oberflächenkrümmung zu schwächen, so daß die Entstehung von Aberrationen verhindert wird.

Ein drittes Beispiel eines Varioobjektivs, dessen nummerische Daten im Zahlenbeispiel 3 wiedergegeben sind, ist in Fig. 5 dargestellt, wobei jede Linsengruppe mindestens eine Linse mit Brechzahlverteilung vom radialen Typ umfaßt. Eine erste positive, eine zweite negative, eine dritte positive und eine vierte positive Linsengruppe 81-84 sind in dieser Reihenfolge von vorne nach hinten auf einer gemeinsamen optischen Achse angeordnet. Die ersten drei Linsengruppen 81-83 bewegen sich bei einer Brennweitenveränderung relativ zueinander in Axialrichtung.

In der Vergangenheit wurden für diese Art von Varioobjektiv die ersten drei Linsengruppen jeweils mit drei Linsenelementen und die letzte Linsengruppe mit etwa vier Elementen versehen, um die Aberrationskorrektur zu erleichtern. Durch Verwendung einer Linse mit Brechzahlverteilung in jeder Linsengruppe können die Aberrationswerte der einzelnen Linsengruppen reduziert werden. Ferner kann die Anzahl der Linsenelemente in jeder Linsengruppe verringert werden. Indem die mit den Stärken der jeweiligen Linsengruppen verbundenen Aberrationen auf Null gebracht werden, können die Aberrationen während der Brennweitenveränderung stabil gehalten werden.

Als nächstes folgen die nummerischen Daten der Beispiele 1 bis 3, die in den Zahlenbeispielen 1 bis 3 wiedergegeben sind und die Krümmungsradien R, die axialen Dicken oder Luftabstände D, die Brechzahlen N und die Abbeschen Zahlen der Gläser der verschiedenen Linsenelemente betreffen, die Numerierungen in der Reihenfolge von vorne nach hinten tragen, wobei Ni (h) und Ni (x) die Verteilung der Brechzahlen im Inneren des i-ten Linsenelementes entlang dem Radius oder der optischen Achse, h die Höhe über der optischen Achse, x der axiale Abstand gemessen vom Scheitelpunkt der Vorderfläche dieser Linse, N₀ die Brechungszahl am Scheitelpunkt der Vorderfläche des Linsenelementes und N₁, N₂, N₃ . . . die Koeffizienten im zweiten, dritten, vierten . . . Bestandteil der Formel für die Verteilung der Brechzahl bedeuten.

Zahlenbeispiel 1

F=100.0-304.5 2 ω=34.34°-11.6°

Zahlenbeispiel 2

F=100-283 2 ω=62°-24°

Zahlenbeispiel 3

F=100-572 2 ω=56°-9°

Bei einem Ausführungsbeispiel 4 eines Varioobjektives (Fig. 7) umfaßt dieses von vorne nach hinten eine erste positive, zweite negative und dritte positive Linsengruppe 91-93, wobei die erste und zweite Linsengruppe bei einer Brennweitenveränderung von Weitwinkel auf Tele sich axial vorwärts und rückwärts bewegen. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die erste Linsengruppe 91 aus einer Linse mit Brechzahlverteilung und positiver Brechkraft vom radialen Typ aufgebaut, während die zweite Linsengruppe 92 lediglich eine derartige Linse vom radialen Typ mit negativer Brechkraft aufweist. Die dritte Linsengruppe 93 besitzt eine erste Linse mit Brechzahlverteilung und negativer geringer Brechkraft, ein zweite Linse vom axialen Typ, bei der die Brechzahl mit zunehmender Entfernung vom vorderen Scheitelpunkt absinkt, und eine vierte Linse vom radialen Typ mit negativer Brechkraft, wobei die dritte und die fünfte Linse aus homogenen Materialien oder herkömmlichen optischen Gläsern hergestellt sind und negative Brechkraft aufweisen.

Wenn die zweite Linsengruppe bei gleicher Brechkraft aus einem homogenen Material gefertigt wäre, würde eine Petzval-Summe von etwa -1,45 bis -1,6 ausgedrückt als Brennweite des Gesamtsystems auf die Grundeinheit zurückgeführt erzeugt werden. Da bei diesem Ausführungsbeispiel eine Linse mit Brechzahlverteilung vom radialen Typ verwendet wird, nimmt die Petzval-Summe einen geringen Wert von -9,6 an. Aufgrund eines derartigen geringen Wertes der Petzval-Summe weist die Relaislinsengruppe 93 ein reduziertes Tele-Verhältnis auf, so daß eine Reduktion der Größe des Gesamtsystems erreicht werden kann.

Genauer gesagt, ist die Relaislinsengruppe 93 nach Art eines Teleobjektivs ausgebildet, indem eine große positive Brechkraft an ihrem Vorderteil und eine große negative Brechkraft auf zwei Negativlinsen im hinteren Teil konzentriert ist, so daß die Länge der Relaislinsengruppe und die rückwärtige Brennweite stark reduziert sind. Somit wird die optische Gesamtlänge des Gesamtsystems reduziert.

Die Linsen mit Brechzahlverteilung in der Relaislinsengruppe 93 haben die folgenden Wirkungen:

Die erste Linse (radialer Typ): Die hintere Brechungsfläche wird zur Komakorrektur verwendet, und durch das Steuern der Brechzahlverteilung im Inneren wird sphärische Aberration korrigiert, wenn Lichtstrahlen die Linse durchdringen.

Die zweite Linse (axialer Typ): Die Vorderfläche wirkt auf sphärische Aberration ein, und die hintere Fläche, die mit der vorderen Fläche der dritten Linse verbunden ist, wirkt auf Astigmatismus ein.

Die vierte Linse (radialer Typ): Aberrationen werden geringfügig beeinflußt, sie trägt jedoch zur Erhöhung der negativen Brechkraft des hinteren Teiles der Relaislinsengruppe bei und spielt dabei eine wichtige Rolle hinsichtlich einer Verstärkung der Tendenz der Relaislinsengruppe zu einer Teleobjektivform.

Während ein herkömmlich ausgebildetes Varioobjektiv der gleichen Abmessungen wie bei diesem Ausführungsbeispiel eine als Verhältnis der Gesamtlänge im Gehäuse (Weitwinkeleinstellung) zur längsten Brennweite ausgedrückte Handlichkeit von 0,85-1 besitzt, ist diese bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel beträchtlich verbessert und beträgt beispielsweise 0,57.

Zahlenbeispiel 4

F=100-278 2 ω=32.2°-11.85°

Bei einem fünften Ausführungsbeispiel eines Varioobjektivs (Fig. 9) umfaßt dieses von vorne nach hinten gesehen eine erste positive, eine zweite negative (Variator), eine dritte negative (Kompensator) und eine vierte positive (Relais) Linsengruppe 101-104. Die Relaislinsengruppe 104 besitzt eine a-fokale Linse vor einer Blende R₁₃ und zwei Strahlenteiler zwischen R₁₁ und R₁₂ und zwischen R₂₂ und R₂₃.

Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die erste, zweite und vierte Linsengruppe jeweils mit einer Linse mit Brechzahlverteilung vom radialen Typ versehen, und zwar bei der vierten Linsengruppe im hinteren Teil derselben.

Zahlenbeispiel 5

F=100-570 2 ω=64°-9.1°

Ein sechstes Ausführungsbeispiel eines Varioobjektivs ist in Fig. 11 dargestellt. Die Aberrationen dieses Varioobjektivs sind in den Fig. 12A bis 12C gezeigt. Das Varioobjektiv umfaßt von vorne nach hinten gesehen eine erste positive Linsengruppe 131, die aus einem einzigen Element besteht, eine zweite negative Linsengruppe 132, die aus zwei Elementen besteht, eine dritte positive Linsengruppe, die aus zwei Elementen besteht, und eine vierte positive Linsengruppe 134, die aus drei Elementen besteht. Die ersten drei Linsengruppen sind zur Brennweitenveränderung axial beweglich. Dieses Varioobjektiv umfaßt fünf Linsen mit Brechzahlverteilung vom radialen Typ, die durch die Oberflächen R₁ und R₂, R₅ und R₆, R₈ und R₉, R₁₂ und R₁₃ und R ₁₄ und R₁₅ definiert sind.

Da diese Linsen mit Brechzahlverteilung eine Wirkung hinsichtlich der Korrektur von Aberrationen ausüben und jeder Linsengruppe zugeordnet sind, wird die erforderliche Anzahl von Linsenelementen in jeder Linsengruppe reduziert, so daß sich eine Verringerung der Größe des Gesamtsystems erzielen läßt.

Zahlenbeispiel 6

F=100-572 2 ω=56°-9°

Ein siebtes Ausführungsbeispiel eines Varioobjektivs ist in Fig. 13 dargestellt und umfaßt von vorne nach hinten gesehen eine erste positive, eine zweite negative, eine dritte positive und eine vierte positive Linsengruppe 141-144 und besitzt ein vergrößertes Brennweitenverhältnis.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die zweite Linsengruppe 142 mit zwei Negativlinsen aus homogenem Material versehen, denen eine positive Meniskuslinse mit Brechzahlverteilung folgt.

Bei dem Varioobjektiv dieser Ausführungsform ist es empfehlenswert, den Abstand der Hauptebenen der ersten und zweiten Linsengruppe 141 und 142 soweit wie möglich zur verringern, um dadurch die Gesamtlänge und den Durchmesser der vorderen Elemente gering halten zu können. Hierzu wird die Positivlinse in die zweite Linsengruppe 142 eingeführt und hinter den beiden Negativlinsen angeordnet, so daß bei Auswahl der Brechzahlverteilung zur Erzeugung einer überschüssigen positiven Brechkraft die vordere Hauptebene der zweiten Linsengruppe 142 aufgrund der Schwächung der Oberflächenkrümmungen vorgeschoben wird, was eine Reduktion des Abstandes zwischen den Hauptebenen der ersten und zweiten Linsengruppe zur Folge hat. Es wird daher möglich, die Gesamtlänge und den Durchmesser der Elemente herabzusetzen.

Auch dadurch, daß die Werte der Koeffizienten N₂ und N₃ in der Brechzahlverteilungsgleichung negativ sind, wird die von den beiden Negativlinsen der zweiten Linsengruppe 142 erzeugte sphärische Aberration selbst höherer Ordnung gut korrigiert.

Im Gegensatz zu der herkömmlich ausgebildeten zweiten Linsengruppe, die normalerweise fünf oder mehr Linsenelemente besitzt und eine große Gesamtdicke aufweist, sind bei diesem Ausführungsbeispiel nur drei Elemente zur Ausbildung der zweiten Linsengruppe ausreichend, was den Vorteil einer Größenreduzierung mit sich bringt. Da die zweite Linsengruppe gegenüber einer Dezentrierung äußerst empfindlich ist, besteht ein anderer Vorteil darin, daß die Justiervorgänge bei der Fertigung äußerst einfach durchgeführt werden können.

Zahlenbeispiel 7

F=100-365 2 ω=62°-19°

Ein achtes Ausführungsbeispiel eines Varioobjektivs ist in Fig. 15 dargestellt und umfaßt von vorne nach hinten gesehen eine erste positive Linsengruppe 151, die während der Brennweitenveränderung ortsfest ist, eine zweite negative Linsengruppe 152, die zur Veränderung der Bildvergrößerung axial beweglich ist, eine dritte positive Linsengruppe 153, die zur Kompensation der Bildverschiebung axial beweglich ist, und eine vierte positive Linsengruppe 154. Die zweite Linsengruppe 152, d. h. der sog. Variator, ist aus einer Linse mit Brechzahlverteilung vom axialen Typ mit absinkender Brechzahl entlang der optischen Achse von vorne nach hinten und einer weiteren Linse mit Brechzahlverteilung und negativer Brechkraft vom radialen Typ gebildet, die in dieser Reihenfolge von vorne auf einer gemeinsamen optischen Achse angeordnet sind.

Die vorstehend erwähnte hintere Linse mit negativer Brechkraft besitzt weit schwächere Oberflächenkrümmungen als bei Verwendung einer äquivalenten Linse aus homogenem Material, da auch das Linseninnere einen Teil der Linsenbrechkraft bewirkt.

Die vorstehend erwähnte vordere Linse mit negativer Brechkraft besitzt eine hintere Fläche mit starker Krümmung, die nach hinten konkav ist, so daß mit einer derartigen Brechzahlverteilung wie oben beschrieben die Überkorrektur der sphärischen Aberration gering ist, da sich die Brechzahl mit zunehmender Höhe verringert, so daß die Linse eine wichtige Rolle bei der Korrektur von sphärischen Aberrationen spielt. Dieses Merkmal sowie ein anderes Merkmal, daß die sphärische Aberration, die einer Überkorrektur unterliegen kann, durch eine unterkorrigierte sphärische Aberration der Linse vom radialen Typ ausgeglichen werden kann, indem deren Brechzahlverteilung gesteuert wird, bieten den Vorteil des Verzichts auf eine Kittfläche, die bei dem herkömmlich ausgebildeten Variator immer Verwendung findet. Es wird daher möglich, die Anzahl der Elemente im Variator und dessen axiale Dicke herabzusetzen.

Zahlenbeispiel 8

F=100-287 2 ω=33.67°-12.04°

Ein neuntes Ausführungsbeispiel eines Varioobjektivs ist in Fig. 17 dargestellt. Die entsprechenden Aberrationen sind in den Fig. 18A bis 18C gezeigt. Das Objektiv umfaßt von vorne nach hinten gesehen eine erste positive Linsengruppe 191, die während der Brennweitenveränderung axial beweglich ist, wie es durch den Pfeil Z₁ angedeutet ist, eine zweite negative Linsengruppe 192, die während der Brennweitenveränderung axial beweglich ist, wie es durch den Pfeil Z₂ angedeutet ist, um zur Veränderung der Bildvergrößerung beizutragen, und eine dritte positive Linsengruppe 193, die während der Brennweitenveränderung ortsfest ist. Eine vordere Konvexlinse der dritten Linsengruppe 193, die die Oberflächen R₆ und R₇ aufweist, besteht aus einem Medium mit Brechzahlverteilung vom radialen Typ mit negativer Stärke. Eine zu dieser benachbarte, dahinter angeordnete Doppellinse, deren vorderes oder konvexes Element die Oberflächen R₈ und R₉ aufweist, besteht aus einem Medium mit Brechzahlverteilung vom axialen Typ, bei dem der Brechungsindex von vorne nach hinten abfällt. Eine vordere von zwei Konkavlinsen bildet den hinteren Teil der dritten Linsengruppe, besitzt die Oberflächen R₁₁ und R₁₂ und besteht aus einem Medium mit Brechzahlverteilung vom radialen Typ mit negativer Stärke.

Bei diesem Varioobjektiv ist auch die zweite Linsengruppe 192 als Ganzes aus einem Medium mit Brechzahlverteilung und negativer Stärke hergestellt, was den Vorteil einer Verbesserung der Korrektur von sphärischen Aberrationen in den Tele-Positionen mit sich bringt und darüberhinaus die erzeugte Petzval-Summe minimiert. Wenn man als Zahlenbeispiel ein herkömmlich ausgebildetes Varioobjektiv der gleichen Brechkraft heranzieht, erzeugt die zweite Linsengruppe, wenn sie alleine aus homogenem Material besteht, eine Petzval-Summe von -1,45 bis -1,6 basierend auf der Brennweiteneinheit des Gesamtsystems im Vergleich zu einem Wert von -0,96 bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel.

Eine derartige große Reduktion der Petzval-Summe der zweiten Linsengruppe 192 gestattet es, die dritte Linsengruppe nach Art eines Teleobjektivs zur Reduktion der Größe des Gesamtsystems auszubilden. Das Tele-Verhältnis der dritten Linsengruppe wird derart reduziert, daß die vorstehend erwähnten drei Linsen mit Brechzahlverteilung dazu verwendet werden, die Tendenz zu einer Teleobjektiv-Form weiter zu verfestigen. Es wird daher möglich, die gesamte optische Länge des gesamten Systems beträchtlich zu reduzieren. Die Bezeichnung einer jeden dieser drei Linsen wird nachfolgend erläutert.

Da die Durchgangsstärke der ersten Linse R₆, R₇ im vorderen Teil der dritten Linsengruppe 193 negativ ist, besitzt diese Linse eine ungünstige Verteilung hinsichtlich der Korrektur sphärischer Aberration durch ihre Brechungsflächen. Indem jedoch die Krümmungen der Oberflächen R₆ und R₇ verstärkt werden, damit die Bildfeldkrümmung unterkorrigiert wird, wird eine Überkorrektur verhindert. Auch die Steuerung des Koeffizienten N₂ der Brechzahlverteilung wird zur Korrektur von sphärischer Aberration und Koma eingesetzt, die von den Brechungsflächen über die das Innenmedium dieser Linse durchdringenden Strahlen erzeugt werden.

Die zweite Linse R₈, R₉ besitzt eine zunehmend niedrigere Brechzahl, wenn der Abstand vom vorderen Scheitelpunkt ansteigt, so daß bei einem Anstieg der Höhe über der optischen Achse die Brechzahl an der vorderen Konvexfläche R₈ absinkt, wodurch der Brechungswinkel eines auftreffenden Strahles geringer wird, als wenn eine homogene Linse mit der gleichen Vorderflächenkrümmung verwendet würde. Dadurch werden sphärische Aberrationen und Koma korrigiert.

Da die dritte Linse R₁₁, R₁₂ eine negative Stärke bzw. eine divergierende Wirkung in ihrem Inneren aufweist, kann durch sie die negative Brechkraft des hinteren Teiles erhöht werden. Da dies nicht durch Erhöhung der Oberflächenkrümmungen durchgeführt wird, besitzt die Petzval-Summe einen kleineren Wert. Auf diese Weise wird die Tendenz zu einer Überkorrektur der Feldkrümmung geschwächt. Darüberhinaus wird durch Steuerung der Form der Brechzahlverteilung N₇ (h) Astigmatismus korrigiert.

Aufgrund des Einsatzes von derartigen Linsen mit Brechzahlverteilung werden nicht nur die Bildfeldkrümmung, die sonst in nachteiliger Weise überkorrigiert würde, wie dies beim Teleobjektiv-Typ mit Hauptebene vor der Linse der Fall ist, sondern auch sphärische Aberration, Koma und Astigmatismus gut korrigiert, wobei ein großer Fortschritt in bezug auf Kompaktheit erreicht wird. Wenn man ein Zahlenbeispiel eines herkömmlich ausgebildeten Varioobjektives mit den gleichen Abmessungen heranzieht, beträgt die Handlichkeit als Verhältnis der kürzesten Länge in der Weitwinkeleinstellung zur längsten Brennweite ausgedrückt etwa 0,85 bis etwa 1,0 im Gegensatz zu einem Wert von 0,645 bei dem vorliegenden Fall.

Zahlenbeispiel 9

F=100-250 2 ω=33.0°-12.7°

Da die Anzahl der Linsenelemente in jeder Linsengruppe des Varioobjektivs reduziert werden kann, können auch das Gewicht und die Größe des Varioobjektivs verringert werden. Da ferner die gesamte Axialdicke jeder Linsengruppe durch Herabsetzung der erforderlichen Anzahl von Linsenelementen abgesenkt werden kann, wird Raum für den Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Linsengruppe geschaffen. Hierdurch kann die Axialbewegung einer jeden Linsengruppe vergrößert werden, und es wird dadurch möglich, das Brennweitenverhältnis zu erhöhen. Da ferner die Luftabstände zwischen den Linsen verringert werden können, wenn die Anzahl der Linsenelemente in jeder Linsengruppe herabgesetzt wird, wird es möglich, die Gesamtlänge beträchtlich zu ver kürzen.

Wenn die erste oder zweite Linsengruppe eine Linse mit Brechzahlverteilung besitzt, kann der maximale Durchmesser, der zum Durchlassen von geneigten Strahlen erforderlich ist, sowie der Außendurchmesser der Linsenhalterung oder des damit verwendeten Filters verringert werden, da der Abstand zwischen den Hauptebenen der ersten und zweiten Linsengruppe reduziert werden kann und da die Dicke der ersten Linsengruppe verringert werden kann, wenn eine derartige Linse in der ersten Linsengruppe verwendet wird.

Da andererseits die Aberrationen jeder Linsengruppe durch diese selbst verbessert werden können, wird es möglich, ein Varioobjektiv zu schaffen, das über den Bereich der Brennweitenveränderung eine verbesserte Stabilität in bezug auf die Korrektur von Aberrationen besitzt.

Da die Petzval-Summe gering ist, kann die Brechkraft jeder Linsengruppe erhöht werden, wodurch eine Verkürzung der Gesamtlänge erleichtert wird. Da die Petzval-Summe nicht stark ansteigt, besteht kein Bedarf nach der Einführung von starken Oberflächenkrümmungen zur Korrektur der Bildfeldkrümmung oder nach der Verwendung eines Systems mit nicht ausgeglichener Brechkraft. Auf diese Weise werden kaum Aberrationen höherer Ordnung erzeugt.

Da die Gesamtzahl der Linsenelemente des gesamten Varioobjektivs stark verringert werden kann, kann eine beträchtliche Verbesserung in bezug auf Geistereffekte (Störbilder) erreicht werden. Da ferner der Lichtverlust aufgrund von Oberflächenreflektionen und innerer Absorbtion gering ist, kann die F-Zahl fester gehalten werden. Da die Anzahl der einzelnen Linsenelemente verringert wird, nimmt die Anzahl der belichteten Linsenflächen ab und damit die Anzahl der Mehrschicht-Antireflektionsüberzüge. Allein aus diesem Grunde kann der Preis des fertigen Objektivs beträchtlich herabgesetzt werden (das Durchlässigkeitsvermögen der herkömmlichen Varioobjektive liegt normalerweise unter 90% und fällt rasch unter 80%, da die Anzahl der benötigten Elemente ansteigt).

Da auch die Zahl der Elemente jeder Linsengruppe abnimmt, können die Produktionskosten reduziert werden, und die Montage- und Justiervorgänge werden vereinfacht.

Selbst im Bereich der optischen Instrumente äußerst geringer Größe, wie beispielsweise bei Subminiaturkameras und Gastroskopen, besteht ein Bedarf nach dem Einbau von Varioobjektiven. Dies wurde jedoch bislang für unmöglich gehalten, da die Gesamtzahl der benötigten Linsenelemente sehr groß war und jedes Element eine sehr geringe Größe besaß. Hierfür war keine Herstelltechnik vorhanden. Wenn jedoch eine Linse mit Brechzahlverteilung verwendet wird, ist die erforderliche Produktionstechnik so einfach, daß der Einbau von Varioobjektiven auch bei optischen Instrumenten mit äußerst geringer Größe realisiert werden kann, da jede Linsengruppe nicht mehr als zwei Elemente benötigt.

Claims

1. Varioobjektiv mit mehreren Linsengruppen, wobei die erste Linsengruppe eine positive Brechkraft und die zweite Linsengruppe eine negative Brechkraft aufweist und wobei die erste und die zweite Linsengruppe zur Brennweitenänderung relativ zueinander entlang der optischen Achse verschoben werden, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Linsengruppe (12) zumindest eine Linse mit einer Brechzahlverteilung aufweist, die folgender Bedingung genügt: ϕ × N₁ < 0wobei ϕ die Brechkraft der Linse mit Brechzahlverteilung ist und die Brechzahlverteilung durch die Gleichung N (h)= N₀+N₁ h²+N₂ h⁴+. . . gegeben ist.

2. Varioobjektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse mit Brechzahlverteilung eine negative Linse ist.

3. Varioobjektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Linsengruppe (12) eine homogene negative Linse und eine positive Linse mit einer Brechzahlverteilung umfaßt, deren Brechzahl mit zunehmender Höhe von der optischen Achse abnimmt.