DE19603191C2

DE19603191C2 - Linsensystem änderbarer Brennweite und Verfahren zur Einstellung der Brennweite eines Linsensystems

Info

Publication number: DE19603191C2
Application number: DE19603191A
Authority: DE
Inventors: Gentle Peng
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-11-15
Filing date: 1996-01-30
Publication date: 1998-10-15
Anticipated expiration: 2016-01-31
Also published as: US5515206A; DE19603191A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Linsensystem änderbarer Brennweite und ein Verfahren zur Einstellung der Brennweite eines Linsensystems.

Linsen bekannter Linsensysteme haben zwei optische Flächen, die z. B. durch die Vorderseite und Rückseite des Linsensystems gebildet werden. Diese Ausbildung verringert den Bereich innerhalb dem die Brennweite variiert werden kann. Zur Beseitigung dieses Nachteils werden Varioobjektive eingesetzt. Diese haben jedoch den Nachteil, daß mit ihnen ausgerüstete Kameras in der äußeren Formgebung sehr sperrig sind und die Möglichkeit der Brennweitenveränderung nur gering ist. Deshalb werden austauschbare Linsensysteme benutzt, um eine größere Variabilität der Brennweite zu ermöglichen. Ein Kamerabenutzer muß daher üblicherweise für Weitwinkelaufnahmen ein Weitwinkelobjektiv verwenden und dieses für Großaufnahmen aus der Ferne durch ein Teleobjektiv ersetzen. Es sind auch Kameras bekannt, die eine variable Brennweite von Weitwinkel bis Teleobjektiv ohne Objektivaustausch ermöglichen. Diese Kameras sind jedoch in der äußeren Form ebenfalls sehr sperrig und damit unhandlich. Außerdem sind die erzielten Bilder von nur geringer Qualität.

Bekannte Linsensysteme änderbarer Brennweite haben meist verschiebbare oder austauschbare Linsengruppen und daher vergleichsweise große Abmessungen. Bekannt sind auch Linsensysteme änderbarer Brennweite mit mindestens einer Linse variabler Brechkraft (siehe DE 35 34 596 A1). Zur Erzielung der Brechkraftänderungen der genannten Linse ist aber ein vergleichsweise großer Aufwand erforderlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kompaktes Linsensystem änderbarer Brennweite und ein Verfahren zur Einstellung der Brennweite eines Linsensystems anzugeben, bei welchen die Brennweite des Linsensystems auf einfache Weise so geändert werden kann, daß ein Verschieben oder ein Austausch von optischen Linsengliedern oder Linsengruppen nicht erforderlich ist.

Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung der Aufgabe bezüglich des optischen Linsensystems durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 und bezüglich des Verfahrens durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 19. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Linsenanordnung werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

Nach der Erfindung wird in einer optischen Einrichtung mindestens eine mehrfach facettierte Linse entweder allein oder mit anderen herkömmlichen Linsen verwandt, die eine Variation der Brennweite so ermöglicht, daß die Objektiveigenschaften zwischen denen eines Weitwinkelobjektivs und denen eines Teleobjektivs variiert werden können, ohne daß ein Austausch von Objektiven oder Objektivteilen erforderlich ist. Die Einstellung der gewünschten Brennweite erfolgt durch eine einfache Dreheinstellung der mehrfach facettierten Linse. Diese erfindungsgemäße mehrfach facettierte Linse hat mindestens zwei Paare von optischen Flächen. Jedes Paar von optischen Flächen bildet funktional eine herkömmliche Linse. Durch einfach Drehung der mehrfach facettierten Linse können unterschiedliche Paare von optischen Flächen in den Strahlengang der optischen Einrichtung eingebracht werden. Hierdurch können unterschiedliche Brennweiten eingestellt werden, so als ob unterschiedliche Linsen verwendet würden. Hierdurch wird trotz der Einstellbarkeit verschiedener Brennweiten ein kompaktes Bauvolumen der die optische Linsenanordnung aufweisenden Einrichtung gewährleistet. Bei bekannten Linsenanordnungen mit mehr als einer Linse sind diese Linsen durch einen achsial einstellbaren Luftraum voneinander getrennt. Bei Varioobjektiven ist der Luftraum sogar variabel. Auch bei derartigen Linsenanordnungen kann die erfindungsgemäße mehrfach facettierte Linse eingesetzt werden. Diese ist somit in verschiedenen optischen Einrichtungen verwendbar. Einfachkameras können nur mit der mehrfach facettierten Linse versehen werden, so daß sich durch einfache Drehung der mehrfach facettierten Linse unterschiedliche Paare von optischen Flächen im Strahlengang befinden. Die erfindungsgemäße mehrfach facettierte Linse kann aber auch in Kameras mit verstellbarer Brennweite eingesetzt werden, die verschiedene Linsen oder Linsengruppen aufweisen. Bei diesen Kameras wird ohne Austausch von Linsen eine größere Brennweitenänderung ermöglicht, sofern die erfindungsgemäße drehbare mehrfach facettierte Linse eingesetzt wird. Durch deren Drehung werden Brennweitenänderungen auf völlig andere Weise als bei konventionellen Linsenanordnungen bewirkt.

Die Erfindung wird nachstehend am Beispiel der in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 bis 12 verschiedene Ausführungsformen mehrfach facettierter Linsen in schema tischen Ansichten,

Fig. 13 eine schematische Ansicht einer Dreheinrichtung für eine mehrfach facettierte Linse nach Fig. 1,

Fig. 14a eine schematische Seitenansicht einer mehrfach facettierten Linse mit vier Flächen,

Fig. 14b die mehrfach facettierte Linse nach Fig. 14a, jedoch um 90° gedreht, in einer schematischen Seitenansicht,

Fig. 15a eine Linsengruppe in einer schematischen Seitenansicht mit einer mehrfach facettierten Linse und zwei weiteren herkömmlichen Linsen,

Fig. 15b die Linsengruppe nach Fig. 15a in einer schematischen Seitenansicht mit um 90° gedrehter mehrfach facettierter Linse.

Die vorliegende Erfindung offenbart mehrfach facettierte Linsen mit Mitteln zur Einstellung der Drehung, um den Bereich der wirksamen Brennweite optischer Einrichtungen wie Kameras oder Videokameras vergrößern zu können. Die mehrfach facettierte Linse nach der Erfindung kann allein oder in Verbindung mit anderen Linsengruppen zur Brennweitenverstellung genutzt werden, um einen möglichst großen Bereich zu ermöglichen, in dem die wirksame Brennweite gewechselt werden kann. Eine erfindungsgemäße mehrfach facettierte Linse umfaßt mindestens zwei Paare von brechenden Flächen (im folgenden auch optische Flächen genannt). Jedes Paar von optischen Flächen in einer spezifischen mehrfach facettierten Linse nach der Erfindung kann den gleichen Krümmungsradius oder unterschiedliche Krümmungsradien haben. Ein Paar von optischen Flächen kann konvex sein während das andere konkav ist. Ein oder mehrere der optischen Flächen der mehrfach facettierten Linse können auch asphärisch ausgebildet sein.

Fig. 1 bis 12 zeigen verschiedene Ausführungsformen mehrfach facettierter Linsen. Jede der vier Flächen dieser Linsen kann konvex oder konkav sein. Andererseits können jedes Paar von Flächen oder beide Paare von Flächen bikonvex, bikonkav, konkav-konvex, biplanar, plankonvex oder plankonkav sein. Ferner können eine oder mehrere der Flächen asphärische Flächen sein. Aus den Fig. 1 bis 12 sind mehrfach facettierte Linsen 1 bis 12 mit Paaren von Flächen ersichtlich, die bikonvex-bikonvex, bikonkav-bikonkav, bikonkav- bikonvex, bikonvex-(konkav-konvex), bikonkav-(konkav-konvex), (konvex-konkav)-(konvex- konkav), biplanar-bikonkav, biplanar-bikonvex, biplanar-(konvex-konkav), plankonvex- plankonkav, plankonkav-plankonkav, bzw. plankonvex-plankonvex sind. Es sind auch andere Anordnungen und Ausbildungen der Flächen möglich.

Fig. 13 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung der Umdrehung einer mehrfach facettierten Linse 4 wie sie in Fig. 4 dargestellt ist. In Z- Richtung ist ein vorragender Achsschenkel 17 angeordnet und damit rechtwinklig zu den X- Y-Richtungen der Flächen ausgerichtet. Mittels des Achsschenkels 17 kann die mehrfach facettierte Linse 4 in einstellbaren 90° Schritten um 360° gedreht werden, um durch entsprechende Einstellung der Flächen der Linse 4 vier unterschiedliche Brennweiten einstellen zu können. Hierbei befinden sich jeweils zwei einander zugeordnete Flächen im Strahlengang 18.

Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die folgenden Ausführungsbeispiele näher beschrieben.

Beispiel 1A

In Fig. 14a ist in einer schematischen Seitenansicht eine mehrfach facettierte Linse dargestellt, die vier Flächen S1, S2, S3 und S4 aufweist. Die Flächen S1, S2 und S4 sind konkav geformt und die Fläche S3 ist konvex ausgebildet. Die Parameter dieser Flächen sind in Tabelle 1 aufgeführt. Ferner sind die Flächen S1, S3 asphärisch. Ihre Parameter sind in Tabelle 2 angegeben.

Die Kurve zur Beschreibung einer asphärischen Linsenfläche einer asphärischen Linsenfläche wird durch folgende Formel dargestellt.

wobei bedeutet
Z: die Abweichung eines Punktes der asphärischen Fläche vom Scheitelkreis in Richtung der optischen Achse
CURV: die Krümmung der Linsenfläche im Scheitelpunkt
k: der Kegelschnittskoeffizient
Y: die Pfeilhöhe
A, B, C, D: die Asphären-Koeffizienten höherer Ordnung

Die Linse ist in einer Kamera so angeordnet, daß sich die Flächen S1 und S2 im Strahlengang befinden, wie es in Fig. 14a dargestellt ist. Die Brennweite (EFL) und die bildseitige Schnittweite (BFL) sind bei dieser Anordnung 25 bzw. 19, 11 Längeneinheiten. Die mehrfach facettierte Linse 19 wirkt bei dieser Anordnung als Weitwinkellinse.

Beispiel 1B

Fig. 14b zeigt die gleiche schematische Seitenansicht der mehrfach facettierten Linse 19 wie in Fig. 14a, mit der Änderung, daß die Linse 19 um 90° gedreht wurde. Die Linse 19 ist in einer Kamera so angeordnet, daß die Flächen S3 und S4 sich im Strahlengang 18 befinden, wie es in Fig. 14b dargestellt ist. Die Brennweite (EFL) und die bildseitige Schnittweite (BFL) sind bei dieser Anordnung mit 69,98 bzw. 80,12 Längeneinheiten errechnet. Die Linse 19 wirkt in dieser Anordnung als Teleobjektiv. Wie ein Vergleich des Beispiel 1A mit dem Beispiel 1B zeigt, kann durch einfache Drehung der mehrfach facettierten optischen Linse 19 eine Veränderung der Brennweite im Verhältnis 2,8 : 1 erzielt werden.

Tabelle 1

In Tabelle 1 sind die Brechzahlen n und die Abbé-Zahfen v Werte für die d-Linie (λ = 587.6 nm) aufgeführt. Hierbei ist d der Abstand zwischen einem zueinander gehörenden Paar von Flächen.

Tabelle 2

Beispiel 2A

Eine mehrfach facettierte Linse 20 wurde in einer anderen Kamera in Verbindung mit zwei anderen herkömmlichen Linsen 30, 40 so eingesetzt, wie es schematisch in Fig. 15a dargestellt ist. Die mehrfach facettierte Linse 20 hat vier Flächen S1', S2', S3', S4', die konkav ausgebildet sind. Die Parameter der Flächen der mehrfach facettierten Linse 20 und der herkömmlichen Linsen 30, 40 sind in Tabelle 3 aufgeführt.

Tabelle 3

In Tabelle 3 sind die Brechungszahlen n und die Abbé-Zahlen v Werte für die d-Linie (λ = 587.6 nm) angegeben und d ist der Abstand zwischen einem zueinander gehörenden Paar von Flächen.

Die Linsen 20, 30, 40 sind in einer Kamera so angeordnet, daß die Flächen S1' und S2' der mehrfach facettierten Linse 20 sich im Strahlengang 18 befinden, wie es in Fig. 15a dargestellt ist. Die Brennweite (EFL) und die bildseitige Schnittweite (BFL) sind bei dieser Anordnung mit 55 Längeneinheiten bzw. 71,4712 Längeneinheiten errechnet.

Beispiel 2B

Fig. 15b zeigt die gleiche schematische Seitenansicht einer Linsenanordnung 25 wie in Fig. 15a dargestellt, wobei jedoch die mehrfach facettierte Linse 20 um 90° gedreht ist. Die mehrfach facettierte Linse 20 ist in der Kamera so angeordnet, daß die Flächen S3' und S4' sich im Strahlengang 18 befinden, wie es Fig. 15b zeigt. Die Brennweite (EFL) und die bildseitige Schnittweite (BFL) sind mit 90 Längeneinheiten bzw. 127,6529 Längeneinheiten errechnet. Werden die Beispiele 2A und 2B verglichen, so zeigt sich, daß in einem Mehrfachlinsensystem durch einfache Drehung der mehrfach facettierten Linse 20 eine Veränderung der Brennweite im Verhältnis 1,636 : 1 möglich ist.

Im Rahmen der Erfindung ist es auch möglich, mehrfach facettierte Linsen zu verwenden, die mehr Flächen aufweisen evtl. mit modifizierten Radien der Krümmungen der Konvex- und Konkavflächen.

Claims

1. Linsensystem änderbarer Brennweite, gekennzeichnet durch mindestens eine mehrfach facettierte Linse (1-12, 19, 20) mit mindestens vier optisch wirksamen Flächen, von denen jeweils zwei Flächen paarweise mittels einer Dreheinrichtung (16) zur Einstellung der gewünschten Brennweite des Linsensystems in den Strahlengang des Linsensystems einbringbar sind.

2. Linsensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das ausgewählte Paar optisch wirksamer Flächen senkrecht zur optischen Achse eingestellt ist.

3. Linsensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mehrfach facettierte Linse (1) zwei Paare konvexer Flächen aufweist.

4. Linsensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mehrfach facettierte Linse (2) zwei Paare konkaver Flächen aufweist.

5. Linsensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mehrfach facettierte Linse (3) ein Paar konvexer Flächen und ein Paar konkaver Flächen aufweist.

6. Linsensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mehrfach facettierte Linse (4) ein Paar konvexer Flächen, eine weitere konvexe Fläche und eine konkave Fläche aufweist.

7. Linsensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mehrfach facettierte Linse (5) ein Paar konkaver Flächen, eine konvexe Fläche und eine weitere konkave Fläche aufweist.

8. Linsensystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die mehrfach facettierte Linse (6) zwei Paare von Flächen mit jeweils einer konvexen und einer konkaven Fläche aufweist.

9. Linsensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mehrfach facettierte Linse (7; 8; 9) ein Paar planer Flächen und ein Paar konkaver oder konvexer Flächen oder eine konkave und eine konvexe Fläche aufweist.

10. Linsensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mehrfach facettierte Linse (10, 11) zwei Paare von Flächen aufweist, von denen mindestens ein Paar eine plane und eine konvexe oder eine plane und eine konkave Fläche aufweist.

11. Linsensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mehrfach facettierte Linse (12) zwei Paare plan-konvexer Flächen aufweist.

12. Linsensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mehrfach facettierte Linse (11) zwei Paare plan-konkaver Flächen aufweist.

13. Linsensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mehrfach facettierte Linse mindestens eine asphärische Fläche aufweist.

14. Linsensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Paar von Flächen eine asphärische Fläche aufweist.

15. Linsensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei mehrfach facettierte Linsen vorgesehen sind, von denen jede mindestens eine asphärische Fläche aufweist.

16. Linsensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dreheinrichtung (16) einen Achsschenkel (17) aufweist, der mit der mehrfach facettierte Linse und einem Betätigungsglied verbunden ist.

17. Linsensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang der mehrfach facettierten Linse Linsen (30; 40) mit jeweils nur zwei optisch wirksamen Flächen angeordnet sind.

18. Linsensystem nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsen (30, 40) mit nur zwei optisch wirksamen Flächen längs der optischen Achse (18) verstellbar sind.

19. Verfahren zur Einstellung der Brennweite eines Linsensystems, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang mindestens eine mehrfach facettierte Linse mit mindestens vier paarweise einander zugeordneten optisch wirksamen Flächen eingebracht wird und das zur Einstellung der gewünschten Brennweite das dieser Brennweite entsprechende Paar von Linsenflächen in den Strahlengang gedreht wird.