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Optisches System mit veränderlicher Brennweite Die Erfindung bezieht
sich auf optische Systeme, deren Brennweite oder Vergrößerung dadurch verändert
wird, daß mindestens zwei Linsen oder Linsenglieder längs der optischen Achse gleichzeitig
verschoben werden. Dabei kann es sich um telezentrische Systeme, also um Fernrohre
handeln, bei denen sich durch das Verschieben die Vergrößerung ändert; indessen
können solche Fernrohre auch mit einem fotografischen Objektiv zusammengebaut sein,
so daß das Ganze ein System veränderlicher Brennweite darstellt. Dabei kann der
Zusammenbau auch so weit getrieben sein, daß zur Einsparung von optischen Mitteln
oder zur Verbesserung der Korrektion auf vollkommen auskorrigierten telezentrischen
Strahlengang zwischen Fernrohr und Objektiv verzichtet ist. Die Blende und damit
die Pupille befindet sich in dem nachgeschalteten Objektiv, besser vor ihm, um die
Durchmesser aller Linsen des Systems klein halten zu können.
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Das System gemäß der Erfindung gehört zu derjenigen verhältnismäßig
wenig bekannten Bauart, bei der zwischen zwei äußeren zerstreuenden Gliedern ein
sammelndes Glied verschoben wird.
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Diese Bauart hat einen wesentlichen Vorteil vor denjenigen bekannteren
Systemen, bei denen ein streuendes Glied zwischen zwei sammelnden Bauteilen verschoben
wird. In diesem letzteren Falle muß das der längeren Schnittweite - bei der kinematografischen
Aufnahme also dem Gegenstand - zugekehrte Sammelsystem eine Brennweite haben, die
den Verschiebeweg des Negativgliedes erheblich übersteigt. Denn im gesamten Objektiv
darf grundsätzlich keine reelle Abbildung zustande kommen. Diese lange Brennweite
des frontseitigen Sammelgliedes wirkt sich bei der Naheinstellung störend aus. Es
ist bekannt und unumgänglich notwendig, für die Scharfeinstellung auf nahe Entfernungen
die Frontlinse zu verschieben, ihr also zusätzlich zu der gegebenenfalls für die
Brennweitenänderung vorgesehenen Verschiebung noch eine zweite Verstellungsmöglichkeit
gemäß einer Entfernungsskala oder eines Entfernungsmessers zu geben. Infolge der
verhältnismäßig langen Brennweite wird der Weg dieser Verschiebung sehr lang. Es
besteht die Gefahr von Vignettierungen, um so mehr, weil die Frontbauteile im Hinblick
auf die weit hinten liegende Pupille und die Streuwirkung der verschiebbaren folgenden
Bauteile einen erheblichen Durchmesser aufweisen müssen, den man aus wirtschaftlichen
Gründen bestrebt ist, möglichst knapp zu bemessen.
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Diese Nachteile fallen bei dem Gegenstand der Erfindung fort, da bei
ihm die Brennweite des Frontgliedes negativer Brechkraft, absolut genommen, kleiner
ist als der Verschiebeweg des positiven, zwischen den beiden Streugliedern angeordneten
Bauteiles.
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Diese Verkürzung der Brennweite kann auch auf die anderen, insbesondere
die verschobenen Glieder ausgedehnt werden und führt entweder zu einer verhältnismäßig
kurzen Baulänge des ganzen Systems, verglichen mit dem Verhältnis der extremen Vergrößerungen;
oder man kann bei normalen Baulängen das System so einrichten, daß das nachzuschaltende
Objektiv eine verhältnismäßig kurze Brennweite, also bei gegebenem Bild- bzw. Filmformat
einen überdurchschnittlich großen Bildwinkel hat. Das Objektiv gemäß der Erfindung
entspricht dieser Konzeption.
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Im übrigen können in an sich bekannter Bauweise zwei Möglichkeiten
für den Aufbau des Systems gemäß der Erfindung vorgesehen werden, da das sammelnde
verschiebbare Glied zweiteilig ausgeführt ist.
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Man kann einerseits die beiden den Verschiebeweg begrenzenden negativen
Glieder - von der Verschiebung für die Scharfeinstellung abgesehen - fest stehenlassen
und den Abstand der beiden Komponenten des verschiebbaren Sammelgliedes so variieren,
daß das System, als Fernrohr betrachtet, streng telezentrisch eingestellt bleibt.
Mit einem Objektiv zu einem System variabler Brennweite verbunden, würde es das
entstehende Bild also stets an der gleichen Stelle entwerfen. .
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Ein solches System hat den Vorteil, daß seine äußere Länge konstant
ist, so daß keine Gleitbahnen für die Führung verschiebbarer Bauteile freigelegt
werden. Dagegen ist es erforderlich, für die Bewegung des zweiteiligen Sammelsystems
zwei Kurven vorzusehen,
die, beispielsweise als Schraubenlinie in
einen Führungszylinder geschnitten, beide keine konstante Steigung aufweisen, also
schwierig herzustellen sind.
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Andererseits kann der sammelnde Bauteil als starres Ganzes verschoben
werden, wozu in einem Leitzylinder eine Schraubenlinie konstanter Steigung vorgesehen
werden kann; dann ist eine zweite, im allgemeinen einen Umkehrpunkt enthaltende
Kurve für die Bewegung des Frontgliedes oder des der Kamera bzw. dem nachgeschalteten
Objektiv zugekehrten Gliedes des Fernrohres erforderlich.
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Das hier beschriebene optische System kann auf beide Arten aufgebaut
und angewandt werden. Hinsichtlich der Korrektion der Farbfehler entspricht es dem
bekannten Erfahrungssatz, daß alle einzelnen Bestandteile achromatisiert werden
müssen. Sonst ist eine stabile Behebung des Farbfehlers für alle Vergrößerungen
oder Brennweiten nicht möglich.
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Der Frontbauteil des Systems gemäß der Erfindung besteht aus drei
Linsen, einem außenstehenden zerstreuenden Meniskus und einem nachfolgenden plankonkaven
oder ähnlich gestalteten Kittglied; diese Aufteilung ist erforderlich, um die hohen
Brechkräfte unterzubringen, entsprechend dem Gedanken, daß eben die Brennweite,
absolut genommen, kleiner als der Verschiebeweg des folgenden positiven Gliedes
ist.
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Dieses besteht aus zwei achromatischen Systemen, deren Abstand bei
der einen Bauart konstant und sehr klein, bei der anderen aber variabel ist.
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Das dritte feststehende Glied des als Fernrohr betrachteten Linsensystems
ist wiederum ein Achromat negativer Brennweite.
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Bei der Behebung der geometrischen Korrektion muß von der üblichen
Betrachtungsweise abgegangen werden, die für jeden der üblichen Abbildungsfehler
dritter Ordnung eine Fläche oder einen Bauteil als besonders geeignet zur Verbesserung
nennt. Vielmehr sind bei dem Gegenstand der vorliegenden Erfindung sämtliche Abbildungsfehler
jeden einzelnen Bauteiles auf ein Minimum ihrer bildverschlechternden Auswirkung
gebracht worden. Zu diesem Zweck wurden für jede Stellung jedes Linsengliedes im
Hinblick auf die Pupillenlage und für jeden Bildpunkt Lage und Querschnitt des Lichtbündels
bestimmt; dieser wurde sodann gleichmäßig mit rechnerisch verfolgten Strahlen besetzt.
Die überwiegende Mehrzahl dieser Daten jeden Bauteiles, also insbesondere Glasarten,
Flächenkrümmungen und Dicken, wurden dann in bekannter Weise so bestimmt, daß die
Gesamtheit aller Strahlen für einen Bildpunkt im Bildraum des jeweiligen Gliedes
durch eine möglichst kleine Fläche hindurchgeht. Die Größe dieser Bildfläche wurde
im Hinblick darauf bestimmt, daß sie durch die nachfolgenden optischen Glieder nochmals
abgebildet, also vergrößert oder verkleinert wird, wobei in dem auf dem Film entworfenen
Schlußbild eine bestimmte Größe der Unschärfe keinesfalls überschritten werden durfte.
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Die folgende Tabelle enthält die optischen Daten für ein System, das
als Vorsatzsystem für ein Aufnahmeobjektiv für 8-mm-Film von f = 13 mm Brennweite
benutzt werden kann, wobei sich die Blende zwischen dem Vorsatz und dem Objektiv
befindet; die Vergrößerung dieses Vorsatzfernrohres variiert zwischen 0,53 und 2,26.
Die in diesem Zusamrrienhang kurze Brennweite von 13 mm setzt für das Vorsatzfernrohr
gemäß der Erfindung den verhältnismäßig großen Winkel von 25' auf der Objektivseite
voraus; trotzdem liegt die Baulänge noch erheblich unter 90 mm. Besonders vorteilhaft
ist es, daß die für ein solches System sehr kurze wirksame Brennweite von 7 mm erreicht
werden kann.
| r1 -f- 123,9 |
| dl = 2,5 1,639/55,5 |
| r2 -f 41,2 |
| h = 3,0 |
| Y3 00 |
| d2 = 3,0 1,805/25,5 |
| r4 - 41,2 |
| d3 = 2,5 1,643/47,8 |
| r5 -I- 45,55 |
| 12 = 0,5 bis 57,8 |
| rs -i- 44,4 |
| d4 = 6,0 1,658/50,8 |
| r, - 66,9 |
| d5 = 1,0 1,805/25,5 |
| r3 -1-- 1007 |
| 13 = 0,1 (oder 0,1 bis 22,3 bis 1,3) |
| r9 + 39,1 |
| d6 = 7,0 1,618/50,4 |
| rlo - 39,1 |
| d7 = 1,0 1,805/25,5 |
| r11 - 123,9 (oder - 132,0) |
| 14 = 54,4 bis 0,1 (oder 57,5 bis 0,2) |
| r12 00 |
| d8 = 2,7 1,575/41,3 |
| r13 - 12,25 (oder 12,5) |
| d9 = 2,8 (oder 1,32) |
| 1,620/60,3 |
| r14 + 31,3 (oder 32,5) |
| Abstand bis Blende: 3,0 |
Einen Längsschnitt durch dieses Linsensystem zeigt Fig. 1.
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In Fig.2 sind, abhängig von der Fernrohrvergrößerung V, in logarithmischem
Maßstab die Luftabstände 12, 4 sowie deren Summe 12 -I- 14 aufgetragen; diese letztere
Kurve ist ein Bild für die erforderliche Verschiebung des negativen Frontgliedes,
das die Flächen r1 bis r5 enthält.
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Für den Fall, daß dieses Frontglied bei der Änderung der Vergrößerung
nicht verschoben werden soll, sondern daß, wie beschrieben, die beiden Bauteile
des Sammelgliedes einen variablen Abstand besitzen, ändern sich die Daten der Tabelle
nur unbedeutend; die Änderungen sind in der Tabelle in Klammern angegeben. Für diesen
Fall sind die Lufträume 12, 13, 14, wiederum abhängig von der Vergrößerung V, in
Fig. 3 angegeben. Ihre Summe ist, wie ersichtlich, konstant.
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Aus diesen Daten kann man entnehmen, daß die Brennweite des dreilinsigen
Frontgliedes f = -47,7 mm beträgt, also kleiner ist als die Verschiebung beider
positiver Bestandteile, die mindestens 54 mm ausmacht. Infolge dieser kurzen Brennweite
braucht das Zerstreuungsglied für die Naheinstellung auf 1 m nur um etwa 3 mm verschoben
zu werden.