DE4202452A1 - Verschiebbares linsensystem - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Sy­ stem, das in einer Kamera o. ä. eingesetzt werden kann, und insbesondare ein verschiebbares Linsensystem zum Ändern des Aufnahmebereichs eines aufzunehmendan Objek­ tes, das in bzw. auf einer Bildebene abgebildet wird, beispielsweise auf einem Fotofilm.

Es ist bekannt, beim Aufnehmen eines Fotos absichtlich die optische Hauptachse, d. h. die durch den Mittelpunkt einer Bildebene gehende und zu dieser senkrecht stehen­ de optische Achse, aus dem Mittelpunkt der Bildebene bzw. aus dem aufzunehmenden Objekt heraus zu verschie­ ben. Eine derartige Maßnahme wird als Shift-Fotografie­ ren (engl.: shift photographing) bezeichnet, wobei ein Linsensystem und/oder die Bildebene aus einer Normalpo­ sition heraus, in der ein Hauptpunkt des Linsensystems sich auf einer Linie befindet, die den Mittelpunkt der Objektebene und den Mittelpunkt der Bildebene verbin­ det, in eine zur optischen Hauptachse senkrecht stehen­ de Richtung bewegt wird, während die Objektebene paral­ lel zur Bildebene bleibt.

Im allgemeinen ist die Filmebene ortsfest in einem Kamerakörper angeordnet, so daß das Linsensystem zum Einstellen der Verschiebung in die zur optischen Haupt­ achse senkrechte Richtung bewegt wird.

Bei einem bekannten fotografischen Verschiebemechanis­ mus, bei dem das gesamte Linsansystem bewegbar oder verschiebbar ist, ist es erforderlich, eine große und aufwendige Verschiebeeinrichtung zum Bewegen des ge­ samten Linsensystems vorzusehen. Insbesondere bei einem Weitwinkelobjektiv, das häufig und vorteilhaft zum Shift-Fotografieren eingesetzt wird und das im allge­ meinen Linsen mit relativ großen Durchmessern enthält, ist das zu bewegende Linsensystem schwer. Dies bedeu­ tet, daß eine aufwendige und große Verschiebeeinrich­ tung benötigt wird.

Ferner ist es bekannt, das Linsensystem in eine Front­ linsengruppe und eine hintere Linsengruppe einzuteilen, von denen nur die Frontlinsengruppe zum Ausführen des Shift-Fotografierens verschoben wird. Die Scharfein­ stellung wird dann von der hinteren Linsengruppe be­ wirkt. Bei einem bekannten Weitwinkelobjektiv ist es dennoch weiterhin erforderlich, eine beträchtlich große Verschiebeeinrichtung zu verwenden, da die Frontlinsen­ gruppe aus Linsen mit größeren Durchmessern besteht als die hintere Linsengruppe.

Weiterhin ist es erforderlich, eine spezielle, von den üblichen Linsen abgeteilte verschiebbare Linseneinheit vorzusehen, da die verschiebbare Linseneinheit aus ei­ ner oder mehreren Speziallinsen besteht. Dies führt zu hohen Herstellungskosten für ein Kamerasystem.

Um ein verschiebbares Linsensystem in ein Varioobjektiv mit einer die Brennweite verstellenden Variolinsengrup­ pe zu integrieren, ist es erfordarlich, zusätzlich zum Antriebsmechanismus zum Bewegen der Variolinsengruppe einen Verschiebemechanismus zum Bewegen des gesamten Objektivsystems einschließlich der Variolinsengruppe vorzusehen. Dadurch wird es schwierig, eine Kamera zu bauen, die kompakt und leicht ist.

Außerdem ist nachteilig, daß, wenn in einer Kamera ein Verschiebemechanismus für ein Objektiv lediglich zum Verschieben des Linsensystems integriert ist, der Mit­ telpunkt eines Bildes eines aufzunehmenden Objektes relativ zur Mitte der Bildebene während der Brennwei­ tenverstellung bewegt wird.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein verschiebbares Linsensystem anzugeben, das eine kleine Baugröße und einen einfachen Verschiebemechanismus hat.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentan­ spruchs 1, des Patentanspruchs 5 und des Patentan­ spruchs 8 gelöst.

Die Erfindung wird im folgenden näher unter Bezug auf die Zeichnungen erläutert. In denen zeigt:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines ver­ schiebbaren Linsensystems nach der Erfindung,

Fig. 2 eine schematische Ansicht zusammenge­ setzter optischer Bauelemente eines verschiebbaren Linsensystems nach ei­ nem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 3a und 3b je eine schematische Darstellung ei­ ner dünnen Linseneinheit eines ver­ schiebbaren Varioobjektivs mit kurzer bzw. langer Brennweiteneinstellung nach einem zweiten Ausführungsbei­ spiel der Erfindung,

Fig. 4a und 4b je eine schematische Darstellung ähn­ lich danen in den Fig. 3a und 3b, je­ doch für ein Vergleichsbeispiel einer dünnen Linseneinheit, und

Fig. 5a und 5b je eine schematische Darstellung ei­ ner dünnen Linseneinheit eines ver­ schiebbaren Varioobjektivs mit kurzer bzw. langer Brennweiteneinstellung gemäß einem dritten Ausführungsbei­ spiel der Erfindung.

In Fig. 1 ist ein grundsätzlicher Aufbau der vorliegen­ den Erfindung dargestellt, bei dem ein Bild eines auf­ zunehmenden Objektes O auf einer Bildebene Fp erzeugt wird, beispielsweise auf einem Fotofilm. Das Linsen­ system besteht aus einem Grundlinsensystem (Frontlin­ sengruppe A) und einem Adapter-Verschiebelinsensystem (hintere Linsengruppe B), das in Richtung einfallender Strahlen gesehen hinter dem Grundlinsensystem A abnehm­ bar vorgesehen ist. Die hintere Linsengruppe B enthält eine vordere stationäre Linseneinheit B1, eine ver­ schiebbare Linseneinheit S und eine hintere stationäre Linseneinheit B2, wie im Ausführungsbeispiel nach der Fig. 1 dargestellt ist. Die verschiebbare Linseneinheit S ist in Richtung senkrecht zur optischen Hauptachse X bewegbar. Die Frontlinsengruppe A bildet zusammen mit der vorderen stationären Linseneinheit B1 der hinteren Linsengruppe B ein zusammengesetztes Linsensystem, das einen Hauptpunkt P zur Bildung eines Bildes I_A beim Brennpunkt F_A hat. Wenn die verschiebbare Linseneinheit S orthogonal um einen Verschiebeweg δ bezüglich der optischen Hauptachse X verschoben wird (d. h. in zur optischen Hauptachse X senkrechter Richtung), erzeugt die hintere Linsengruppe B ein Bild (Objektbild) I des Bildes I_A auf der Bildebene F_P. Im verschobenen Zustand befindet sich der Mittelpunkt des Objektbildes I auf der optischen Hauptachse X, wodurch sich der Effekt des Shift-Fotografierens einstellt.

Die Höhe H (d. h. die Abweichung des Mittelpunkts des Objekts O von der optischen Hauptachse X) ist durch die folgende Beziehung gegeben:

H=(1-1/m_S)δ/m_AB,

wobei m_AB die zusammengesetzte Lateralvergrößerung der Grundlinsengruppe A sowie der vorderen stationären Lin­ sengruppe B1 der hinteren Linsengruppe B und m_S die Lateralvergrößerung der verschiebbaren Linseneinheit S bezeichnen.

Wenn die Höhe H und die Verschiebung δ der vorgenann­ ten Beziehung genügen, befindet sich der Mittelpunkt des Objektbildes I auf der optischen Hauptachse X, so daß das Objekt O scharf abgebildet ist.

Bei dem derart aufgebauten verschiebbaren Linsensystem wird das Bild des Objaktes, das von der optischen Hauptachse X abweicht, auf der Bildebene in einer vor­ gegebenen Stellung durch Verschieben nur eines Teils der hinteren Linsengruppe B des Linsensystems erzeugt, d. h. nur von der verschiebbaren Linseneinheit S, um das Shift-Fotografieren zu bewirken. Das Verschieben er­ folgt in senkrechter Richtung zur optischen Hauptach­ se X. Dadurch wird es möglich, einen kleineren und ein­ facheren Verschiebemechanismus zu realisieren als bei einem konventionellen Verschiebemechanismus, bei dem die Frontlinsengruppe oder sogar das gesamte Linsen­ system bewegt wird, beispielsweise ein Grundlinsensy­ stem mit einem großen Durchmesser (große Öffnung) o. ä.

Da außerdem die hintere Linsengruppe B aus einem lösba­ ren Adapter-Linsensystem besteht, kann ein vorhandenes Grundlinsensystem verwendet werden, ohne daß dieses zum Realisieren des verschiebbaren Linsensystems modifi­ ziert werden muß. Demzufolge ist es möglich, ein kostengünstiges Kamerasystem herzustellen.

Fig. 2 zeigt eine konkrete Anordnung optischer Elemente des verschiebbaren Linsensystems nach der vorliegenden Erfindung.

Bei der Anordnung nach der Fig. 2 besteht die Frontlin­ sengruppe A aus einem Grundlinsensystem mit einer Weit­ winkellinseneinheit, die eine Brennweite f_A von 15,4 mm (f_A=15,4 mm) hat. Die hintere Linsengruppe B, die hinter der Frontlinsengruppe A angeordnet ist, ist durch ein lösbares und verschiebbares Adapter-Linsen­ system gebildet, der insgesamt in Richtung senkrecht zur optischen Hauptachse X bewegbar ist. Die Lateral­ vergrößerung m_B des Adapter-Linsensystems B beträgt 1,735 (m_B=1,735). Die Brennweite f des gesamten ver­ schiebbaren Linsensystems beträgt, wenn das Adapter- Linsensystem befestigt ist, 26,7 mm (f=26,7 mm). Bei dieser Anordnung kann, wenn das Adapter-Linsensystem B um eine Verschiebung δ in zur optischen Hauptachse X senkrechter Richtung bewegt wird, das Objektbild I ge­ mäß der obengenannten Beziehung auf der Bildebene F_P ausgerichtet werden.

Wenn die Größe der Bildebene beschränkt ist, muß der maximale halbe Feldwinkel des gesamten Linsensystems, das das am Grundlinsensystem A befestigte Adapter-Lin­ sensystem B umfaßt, kleiner sein als der halbe Feldwin­ kel des Grundlinsensystems A, um sicherzustellen, daß die Lichtstrahlen innerhalb des maximalen halben Feld­ winkels sämtlich auf die begrenzte Größe der Bildebene einfallen, wenn das Adapter-Linsensystem B verschoben wird. Hierzu muß die Lateralvergrößerung des Adapter- Linsensystems B größer als 1 sein, denn es ist jeweils erforderlich, die Brennweite sowie den Halbwinkel des Gesichtsfeldes zu vergrößern und zu verringern.

Bei einem Beispiel sei die maximale Höhe y des Objekt­ bildes 21,6 mm (y=21,6 mm), der halbe Feldwinkel w_M des Grundlinsensystems A annähernd 55° (w_M=55°), und der halbe Feldwinkel w₀ des gesamten Linsensystems, wenn die Verschiebung gleich Null (δ=0) ist, annä­ hernd 39° (w₀=39°). Der Maximalwert w des halben Feldwinkels des zusammengesetzten Linsensystems kann, wenn das Adapter-Linsensystem verschoben wird, unter Verwendung der folgenden Formel ermittelt werden:

tan w=(y+(m_B-1)) δ/m_Bf_A,

d. h. wenn δ=5 ist, dann ist w=44°.

Theoretisch ist es möglich, das Adapter-Linsensystem zu verschieben, bis der halbe Feldwinkel des gesamten Lin­ sensystems (zusammengesetztes Linsensystem) gleich dem des Grundlinsensystems ist. Jedoch kann die Verschie­ bung durch den Durchmesser des Adapter-Linsensystems beschränkt sein. Wenn die Bildebene in ihrer Größe nicht beschränkt ist, ist eine Lateralvergrößerung kleiner als 1 möglich.

Wie aus den vorstehenden Erläuterungen zu sehen ist, kann, weil die verschiebbare Linseneinheit in der hin­ teren Linsengruppe des verschiebbaren Linsensystems enthalten ist, die verschiebbare Linseneinheit mittels eines kleinen und leichten Verschiebemechanismus ange­ trieben werden, selbst bei einar Kamera, die ein Weit­ winkelobjektiv mit einem großen Durchmesser hat. Demzu­ folge ist es möglich, eine kleine und leichte Kamera zu realisieren.

Die hintere Linsengruppe besteht aus einer lösbaren Adapter-Linseneinheit, die an einem vorhandenen Grund­ linsensystem befestigt werden kann, um ein verschieb­ bares Linsensystem zu realisieren. Dadurch ist es mög­ lich, die Kamerasystemfunktionen zu erweitern und die Herstellungskosten zu reduzieren.

Die Fig. 3a und 3b zeigen ein zweites Ausführungsbei­ spiel der Erfindung, das für ein Zoom- oder Variolin­ sensystem verwendet wird. Das verschiebbare Variolin­ sensystem nach den Fig. 3a und 3b enthält ein dünnes Linsensystem. Die Fig. 3a und 3b zeigen das verschieb­ bare Variolinsensystem in einer kurzen bzw. langen Brennweiteneinstellung.

In den Fig. 3a und 3b befindet sich das Variolinsen­ system ZL zwischen dem aufzunehmenden Objekt O und der Bildebene F_P, in der ein Film in einer Kamera angeord­ net werden kann. Das Variolinsensystem ZL besteht aus einer ersten Linsengruppe, der verschiebbaren Linsen­ einheit S, sowie aus einer zweiten Linsengruppe, die Variolinsengruppe V (engl.: variable power lens) mit veränderlicher Brechkraft. Die erste Linsengruppe (die verschiebbare Linseneinheit S) ist in einer Richtung senkrecht zur optischen Hauptachse X des Variolinsen­ systems ZL verschiebbar. Die zweite Linsengruppe (Variolinsengruppe) V ist wechselseitig längs der opti­ schen Hauptachse X bewegbar. Die Bewegung der Vario­ linseneinheit V bewirkt, daß die verschiebbare Linsen­ einheit S in die gleiche Richtung bewegt wird, wodurch die Brennweite des gasamten Variolinsensystems ZL ver­ ändert wird und die Brennweitenverstellung oder das "Zoomen" bewirkt wird.

Wenn der Mittelpunkt C des Objekts O um einen Betrag der Höhe H von der optischen Hauptachse X abweicht, wird die verschiebbare Linseneinheit S entsprechend um einen entsprechenden Verschiebebetrag δ aus der opti­ schen Hauptachse X verschoben, um das Bild I_S im Brenn­ punkt F_S der verschiebbaren Linseneinheit S zu bilden. Der Mittelpunkt des Bildes I_S wird auf der Hauptachse X durch Einstellen des Verschiebebetrags δ bewegt, denn die Höhe H ergibt sich aus der Beziehung H=δ/m_S, wobei m_S die Lateralvergrößerung der verschiebbaren Linseneinheit S bezeichnet. Wenn der Abstand zwischen dem Objekt O und der verschiebbaren Linseneinheit S wesentlich größer als die Brennweite F_S der verschieb­ baren Linseneinheit S ist, bleibt, selbst wenn die ver­ schiebbare Linseneinheit um einen geringen Betrag längs der Hauptachse X bewegt wird, die Lateralvergrößerung m_S im wesentlichen konstant. Folglich ist die Höhe H konstant, so lange wie der Verschiebebetrag der ver­ schiebbaren Linseneinheit S konstant gehalten wird. Demzufolge befindet sich der Mittelpunkt des Objektbil­ des I, wenn das Bild I_S auf der Bildebene F_P als Ob­ jaktbild I durch die Variolinseneinheit V scharf abge­ bildet wird, auf dem Mittelpunkt der Bildebene F_P. Wenn die Scharfeinstellung aufrechterhalten wird, während die Variolinseneinheit V zusammen mit der verschiebba­ ren Linseneinheit S längs der Hauptachse X bewegt wird, entsteht auf der Bildebene während der Brennweitenver­ stellung (während des Zoomens) keine Bewegung des Bil­ des.

Die Fig. 4a und 4b zeigen ein Vergleichsbeispiel eines dünnen Linsensystems ähnlich dem nach den Fig. 3a und 3b, jeweils mit einer kurzen bzw. langen Brennweiten­ einstellung, wenn die Variolinseneinheit V verschoben wird.

Wenn die Variolinseneinheit V verschoben wird, wie in den Fig. 4a und 4b dargestellt ist, so ergibt sich die Höhe H des Objekts O aus der Beziehung:

H=δ′/m_S=(1-1/m_V)δ/m_S,

wobei m_S=δ′/H und m_V=δ/(δ-δ′) ist.

In den Fig. 4a und 4b bezeichnen δS′ und δL′ Abwei­ chungen (Höhen) des Mittelpunkts des Bildes I_S von der Hauptachse X, wenn die Variolinseneinheit V um die Ver­ schiebung δ bei der kurzen bzw. der langen Brennweite verschoben wird. Ebenso bezeichnen in den Fig. 4a und 4b H_S und H_L die Abweichungen des Mittelpunkts C des Objekts O von der Hauptachse X bei kurzer bzw. langer Brennweite.

Im vorliegenden Fall variiert der Wart m_V während der Brennweitenverstellung erheblich, da m_V=f/f_S ist. Demzufolge variiert die Höhe H (H_S, H_L) des Mittel­ punkts C des Objekts O von der Hauptachse X, wenn die Variolinseneinheit V bewegt wird, während die Verschie­ bung δ während der Brennweitenverstellung konstant ge­ halten wird. Folglich wird das Objektbild I in der Bildebene F_P während der Brennweitenverstellung bewegt. Eine Bewegung des Objektbildes ist jedoch unerwünscht und sollte vermieden werden.

In den Fig. 5a und 5b ist eine Abwandlung des dünnen Linsensystems nach den Fig. 3a und 3b dargestellt, bei dem das Variolinsensystem ZL durch eine erste Linsen­ gruppe und eine zweite Linsengruppe gebildet ist. Die Fig. 5a und 5b zeigen eine kurze bzw. eine lange Brenn­ weiteneinstellung. Im dargestellten Ausführungsbeispiel besteht die erste Linsengruppe aus einer Vielzahl von Linseneinheiten. Die erste Linsengruppe enthält eine stationäre Linseneinheit A und eine verschiebbare Lin­ seneinheit S, die in zur Hauptachse X senkrechter Rich­ tung verschoben werden kann. Die zweite Linsengruppe besteht aus einer Variolinseneinheit V mit veränderli­ cher Brechkraft, die in Richtung der Hauptachse X be­ wegbar ist, um die Brennweitenverstellung zu bewirken.

Beim Variolinsensystem ZL nach den Fig. 5a und 5b wird, wenn die verschiebbare Linseneinheit S, die einen Teil der vor der Variolinseneinheit V angeordneten ersten Linseneinheit bildet, in zur Hauptachse X senkrechter Richtung verschoben wird, das Objektbild I auf der Mitte der Bildebene F_P scharf abgebildet. Selbst wäh­ rend der Brennweitenverstellung durch die Variolinsen­ ainheit V bleibt das Objektbild I scharf eingestellt.

Die Abweichung (Höhe) H des Mittelpunktes C des Objekts O auf der Hauptachse X erhält man aus der folgenden Be­ ziehung:

H=(1-1/m_S)δ/m_A,

wobei m_S und m_A die Lateralvergrößerung der verschieb­ baren Linseneinheit S bzw. die Lateralvergrößerung der stationären Linseneinheit A bezeichnen.

Wenn die Abstände der verschiebbaren Linseneinheit S und der stationären Linseneinheit A zum Objekt O größer als deren jeweilige Brennweite sind, sind die Lateral­ vergrößerungen m_S und m_A im wesentlichen konstant. Dem­ entsprechend ist auch die Höhe H im wesentlichen kon­ stant. Folglich entsteht keine Bewegung des Objektbil­ des I in der Bildebene F_P, selbst wenn die Variolinsen­ einheit V bewegt wird, um die Brennweitenverstellung zu bewirken.

Wie sich aus den vorstehenden Erläuterungen ergibt, kann durch die Erfindung die Verschiebeeinrichtung miniaturisiert und ihr Gewicht verringert werden, da das Shift-Fotografieren allein durch Verschieben eines Teils der vor der Variolinseneinheit angeordneten Frontlinsengruppe in zur optischen Hauptachse senkrech­ ten Richtung erfolgt, ohne daß das gesamte Variolinsen­ system verschoben werden muß. Weiterhin entsteht keine Bewegung des Objektbildes innerhalb der Bildebene, wo­ durch der Scharfeinstellungszustand aufrechterhalten wird, selbst während einer Brennweitenverstellung.

Claims (9)

1. Verschiebbares Linsensystem mit einer Frontlinsen­ gruppe und einer hinteren Linsengruppe, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil (S) oder die gesamte hintere Linsengruppe (B) in einer zur optischen Hauptachse (X) des Linsensystems senkrechten Rich­ tung verschiebbar ist.

2. Verschiebbares Linsensystem nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß als Frontlinsengruppe ein Grundlinsensystem (A) vorgesehen ist.

3. Verschiebbares Linsensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als hintere Linsen­ gruppe (B) ein Adapter-Linsensystem vorgesehen ist, das in Richtung einfallender Strahlen gesehen hinter der Grundlinsengruppe (A) lösbar angeordnet ist.

4. Verschiebbares Linsensystem nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die hintere Linsengruppe (A) eine Lateralvergröße­ rung größer als 1 hat.

5. Verschiebbares Linsensystem mit einer Frontlinsen­ gruppe und einer hinteren Linsengruppe, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zum Verschie­ ben eines Teils (S) oder dar gesamten hinteren Linsengruppe (B) in einer zur optischen Hauptachse (X) senkrechten Richtung vorgesehen ist.

6. Verschiebbares Linsensystem nach Anspruch 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die hintere Linsengruppe (B) mehrere Linsen hat, wobei von der Einrichtung nur eine Linse (S) in zur optischen Hauptachse (X) senkrechte Richtung verschoben wird.

7. Verschiebbares Linsensystem nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Linse (B1) der hinteren Linsengruppe (B) zusammen mit der Front­ linsengruppe (A) ein zusammengesetztes Linsensy­ stem bildet, um ein Bild eines Objektes (O) auf einem hauptpunkt des zusammengesetzten Linsensy­ stems zu erzaugen.

8. Verschiebbares Variolinsensystem mit mindestens zwei Linsengruppen, die eine Variolinsengruppe um­ faßt, welche während einer Brennweitenverstellung bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil oder die gesamte vor der Variolinsengruppe ange­ ordnete verschiebbare Linsengruppe in eine zur op­ tischen Hauptachse senkrechten Richtung verschieb­ bar ist.

9. Verschiebbares Variolinsensystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als verschiebbare Lin­ sengruppe eine Linsengruppe vorgesehen ist, die verhindert, daß das Bild eines aufzunehmenden Ob­ jektes sich während einer Brennweitenverstellung innerhalb einer Bildebene nicht bewegt.