DE19848625A1

DE19848625A1 - Variolinsensystem

Info

Publication number: DE19848625A1
Application number: DE19848625A
Authority: DE
Inventors: Takashi Enomoto; Takayuki Ito
Original assignee: Asahi Kogaku Kogyo Co Ltd
Current assignee: Pentax Corp
Priority date: 1997-10-21
Filing date: 1998-10-21
Publication date: 1999-04-22
Also published as: US6172819B1; JPH11125769A

Description

Die Erfindung betrifft ein Variolinsensystem für eine Kompaktkamera, das eine kurze hintere Bildweite hat. Insbesondere betrifft die Erfindung ein preisgünstiges Variolinsensystem mit einem Brennweitenverhältnis von etwa 2,5 bis 3.

Ein Variolinsensystem einer Kompaktkamera unterscheidet sich von dem einer einäugigen Spiegelreflexkamera dadurch, daß man bei der Linsenanordnung ei ner Kompaktkamera freier im Entwurf ist, da es weniger Einschränkungen hin sichtlich der hinteren Bildweite gibt, d. h. eine kurze hintere Bildweite akzeptabel ist. Ein aus zwei Linsengruppen bestehendes Variolinsensystem, das von der Objektseite aus betrachtet eine positive erste Linsengruppe und eine negative zweite Linsengruppe enthält, hat die Vorteile, daß sie mit weniger Linsenelemen ten auskommt, klein und kompakt aufgebaut ist und ihre Herstellung einfach ist. Für ein Variolinsensystem nach dem Stand der Technik, welches einen halben Feldwinkel von etwa 30° bei der Einstellung kürzester Brennweite (Weitwinkel- Extremum) und ein Brennweitenverhältnis von etwa 2,5 bis 3 hat, wird für gewöhnlich zur Verbesserung der optischen Leistung ein Drei-Linsengruppen-Typ eingesetzt. Bei dem Linsensystem mit drei Linsengruppen kann die Bewegungsstrecke der dritten Linsengruppe verringert werden, so daß die F-Zahl bei der Einstellung längster Brennweite (Tele-Extremum) verkleinert werden kann (heller), und die Schwankungen der Aberrationen bei der Brenn weitenänderung zwischen dem Weitwinkel- und dem Tele-Extremum können verringert werden. Vergleicht man jedoch den Drei-Linsengruppen-Typ mit dem Zwei-Linsengruppen-Typ, ist der erstgenannte größer und komplizierter in seinem Linsenaufbau, d. h. die Anzahl der Linsenelemente ist größer und die Bemessung der vordersten, d. h. der ersten Linsengruppe vergrößert. All diese Faktoren führen zu einem Anstieg der gesamten Herstellungskosten.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein preisgünstiges, aus zwei Linsengruppen beste hendes Variolinsensystem anzugeben, bei dem die Bewegungsstrecken der Lin sengruppen verringert sind und das bei ausreichend optischer Leistung eine ver kürzte Gesamtlänge, einen halben Feldwinkel von etwa 30° und ein Brennwei tenverhältnis von etwa 2,5 bis 3 hat.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Variolinsensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der folgenden Beschreibung.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Figuren näher erläutert. Darin zei gen:

Fig. 1 die Linsenanordnung eines ersten Ausführungsbeispiels des Vario linsensystems bei der Einstellung längster Brennweite,

Fig. 2A, 2B, 2C und 2D die Diagramme der Aberrationen des Variolinsensystems nach Fig. 1 bei der Einstellung kürzester Brennweite,

Fig. 3A, 3B, 3C und 3D die Diagramme der Aberrationen des Variolinsensystems nach Fig. 1 bei der Einstellung mittlerer Brennweite,

Fig. 4A, 4B, 4C und 4D die Diagramme der Aberrationen des Variolinsensystems nach Fig. 1 bei der Einstellung längster Brennweite,

Fig. 5 die Linsenanordnung eines zweiten Ausführungsbeispiels des Va riolinsensystems bei der Einstellung längster Brennweite,

Fig. 6A, 6B, 6C, 6D die Diagramme der Aberrationen des Variolinsensystems nach Fig. 5 bei der Einstellung kürzester Brennweite,

Fig. 7A, 7B, 7C und 7D die Diagramme der Aberrationen des Variolinsensystems nach Fig. 5 bei der Einstellung mittlerer Brennweite,

Fig. 8A, 8B, 8C und 8D die Diagramme der Aberrationen des Variolinsensystems nach Fig. 5 bei der Einstellung längster Brennweite,

Fig. 9 die Linsenanordnung eines dritten Ausführungsbeispiels des Vario linsensystems bei der Einstellung längster Brennweite,

Fig. 10A, 10B, 10C und 10D die Diagramme der Aberrationen des Variolinsensystems nach Fig. 9 bei der Einstellung kürzester Brennweite,

Fig. 11A, 11B, 11C und 11D die Diagramme der Aberrationen des Variolinsensystems nach Fig. 9 bei der Einstellung mittlerer Brennweite,

Fig. 12A, 12B, 12C und 12 D die Diagramme der Aberrationen des Variolinsensystems nach Fig. 9 bei der Einstellung längster Brennweite und

Fig. 13 die Wege zur Brennweitenänderung des Variolinsensystems zwi schen der Einstellung längster Brennweite und der Einstellung kür zester Brennweite.

Das Variolinsensystem nach der Erfindung ist eine Anordnung aus zwei Linsen gruppen, die eine positive und eine negative Linsengruppe enthält, welche von der Objektseite aus gesehen in der genannten Reihenfolge angeordnet sind. Wie aus Fig. 13 ersichtlich, werden bei der Brennweitenänderung, d. h. während des Zoom-Vorgangs, ausgehend von dem Weitwinkel-Extremum die positive erste Linsengruppe 10 und die negative zweite Linsengruppe 20 gemeinsam zur Ob jektseite hin bewegt, wobei sich ihr gegenseitiger Abstand verringert. Im allgemei nen ist es bei einem aus zwei Linsengruppen bestehenden Variolinsensystem bei Erhöhung des Brennweitenverhältnisses schwierig, die Bewegungsstrecke (Bewegungsabstand) der hintersten Linsengruppe, d. h. der zweiten Linsengruppe 20 zu verringern. Im Zusammenhang mit der vergrößerten Bewegungsstrecke besteht weiterhin die Meinung, daß die Gesamtlänge des Linsensystems und die F-Zahl bei dem Tele-Extremum anwächst (dunkler) und daß die Schwankungen der Aberrationen bei der Brennweitenänderung anwachsen. Hauptsächlich aus diesen Gründen ist bisher ein aus zwei Linsengruppen bestehendes Linsen system mit einem Brennweitenverhältnis in einem Bereich von etwa 2,5 bis 3 in der Praxis noch nicht eingesetzt worden.

Die Erfinder haben die bei einem aus zwei Linsengruppen bestehenden Linsen system erfahrenen Nachteile dadurch beseitigt, daß sie die Brechkraft der hin tersten Linsengruppe, d. h. der zweiten Linsengruppe 20 geeignet bemessen ha ben.

Die Bedingung (1) des Anspruchs 1 legt das Verhältnis der Brechkraft der zweiten Linsengruppe 20 zur Brechkraft des gesamten Linsensystems bei der Einstellung längster Brennweite fest. Ist Bedingung (1) erfüllt, so können die Bewegungs strecken der Linsengruppen in dem Variolinsensystem verringert werden, so daß die Gesamtlänge des Variolinsensystems verkürzt werden kann. Ist Bedingung (1) erfüllt, so kann weiterhin die F-Zahl beim Tele-Extremum verkleinert werden, und die Schwankungen der Aberrationen, die während der Brennweitenänderung auftreten, können verringert werden. Ist die Brechkraft der zweiten Linsengruppe 20 so weit verringert (d. h. die Brennweite vergrößert), daß f_T/f_2G größer als die obere Grenze ist, so werden die Bewegungsstrecken der Linsengruppen bei der Brennweitenänderung zu lang, wodurch die mögliche Verkürzung des gesamten Linsensystems und dessen Miniaturisierung verhindert werden. Ist dem gegen über die Brechkraft der zweiten Linsengruppe 20 so weit vergrößert (d. h. die Brennweite verkürzt), daß f_T/f_2G kleiner als die untere Grenze ist, so nehmen in der zweiten Linsengruppe 20 die Aberrationen überhand und es wird unmöglich, die während der Brennweitenänderung auftretenden Schwankungen der Aberra tionen zu korrigieren.

Die Bedingung (2) des Anspruchs 2 legt das Verhältnis der Brechkraft der ersten Linsengruppe 10 zur Brechkraft des gesamten Linsensystems bei der Einstellung längster Brennweite fest. Ist Bedingung (2) erfüllt, so kann die Länge des gesam ten Linsensystems verringert werden, und auch der Durchmesser der ersten Lin sengruppe 10 kann verringert werden. Wird die Brechkraft der ersten Linsen gruppe 10 so weit erhöht (d. h. die Brennweite verkürzt), daß f_T/f_1G größer als die obere Grenze ist, so nehmen verschiedene in der ersten Linsengruppe 10 auftre tende Aberrationen zu und es wird unmöglich, die während der Brennweitenän derung auftretenden Schwankungen der Aberrationen zu korrigieren. Ist demge genüber die Brechkraft der ersten Linsengruppe 10 so weit verringert, d. h. die Brennweite verlängert, daß f_T/f_1G kleiner als die untere Grenze ist, so vergrößern sich die Bewegungsstrecken der Linsengruppen während der Brennweitenände rung, wodurch die mögliche Miniaturisierung verhindert wird.

Die Bedingung (3) des Anspruchs 3 legt eine asphärische Fläche fest, die an mindestens einer Fläche eines Linsenelementes in der zweiten Linsengruppe 20 ausgebildet ist. Die sphärische Aberration kann durch Vorsehen einer die Bedin gung (3) erfüllenden asphärischen Fläche in der zweiten Linsengruppe 20 verrin gert werden. Ist ΔI_ASP größer als die obere Grenze, so wird der Wert der Asphä rizität zu groß, wodurch die Herstellung der asphärischen Fläche erschwert wird. Ist demgegenüber ΔI_ASP kleiner als die untere Grenze, so wird die Wirkung der Korrektion der sphärischen Aberration durch die asphärische Fläche herabge setzt, so daß eine ausreichende Korrektion der sphärischen Aberration verhindert wird.

Die Beziehung zwischen den Asphärizitätskoeffizienten (Koeffizienten der asphä rischen Fläche) und der Aberrationskoeffizienten wird im folgenden beschrieben.

Die asphärische Fläche ist im allgemeinen wie folgt festgelegt:

x = cy²/{1+[1-(1+K)c²y²]^1/2}+A4y⁴+A6y⁶+A8y⁸+A10y¹⁰+. . .

worin
y den Abstand von der optischen Achse,
x den Abstand von einer Tangentialebene des asphärischen Scheitels,
c die Krümmung des asphärischen Scheitels (1/r),
K eine Konizitätskonstante,
A4 einen Asphärizitätskoeffizienten vierter Ordnung,
A6 einen Asphärizitätskoeffizienten sechster Ordnung,
A8 einen Asphärizitätskoeffizienten achter Ordnung, und
A10 einen Asphärizitätskoeffizienten zehnter Ordnung
bezeichnet.

In dieser Gleichung wird, um die Aberrationskoeffizienten zu erhalten, folgende Substitution ausgeführt, in der K durch 0 ersetzt wird (Bi = Ai wenn K = 0).

B4=A4+Kc³/8

B6=A6+(K²+2K)c⁵/16

B8=A8+5(k³+3K²+3K)c⁷/128

B10=A10+7(K⁴+4K³+6K²+4K)c⁹/256.

Man erhält dann folgende Gleichung:

x=cy²/{1+[1-(1-c²y²]^1/2}+B4y⁴+B6y⁶+B8y⁸+B10y¹⁰+. . .

Ist die Brennweite f auf 1,0 normiert, so wird der resultierende Wert wie folgt transformiert. Es werden folgende Gleichungen in der vorstehenden Gleichung substituiert:

X=x/f, Y=y/f, C=fc

α4=f³B4, α6=f⁵B6, α8=f⁷B8, α10=f⁹B10.

Auf diese Weise erhält man folgende Gleichung:

X=CY²/{1+[1-C²Y²]^1/2}+α4Y⁴+α6Y⁶+α8Y⁸+α10Y¹⁰+. . .

Der zweite und die nachfolgende Terme geben der Wert der Asphärizität der asphärischen Fläche an.

Man erhält dann die Beiträge der Aberration dritter Ordnung infolge des Asphä rizitätskoeffizienten α4 vierter Ordnung wie folgt:

ΔI = h⁴Φ

ΔII = h³kΦ

ΔIII = h²k²Φ

ΔIV = h²k²Φ

ΔV = k³Φ

worin
I den Koeffizienten der sphärischen Aberration,
II den Koma-Koeffizienten,
III den Astigmatismus-Koeffizienten,
IV den Koeffizienten der sagittalen Bildfeldwölbung,
V den Verzeichnungs-Koeffizienten,
h die Höhe, bei der ein auf der Achse befindlicher Paraxialstrahl auf die asphärische Fläche trifft, und
k die Höhe bezeichnet, bei der ein paraxialer, außeraxialer Strahl (aus einem außeraxialen Objektpunkt) durch die Mitte der Eintrittspupille auf die asphä rische Fläche trifft und

Φ = 8(N'-N)α4

worin
N den Brechungsindex einer Substanz auf der Objektseite der asphärischen Fläche und
N' den Brechungsindex einer Substanz auf der Bildseite der asphärischen Flä che bezeichnet.

Spezifische numerische Daten der Ausführungsbeispiele werden nachfolgend an Hand der Tabellen und Diagramme erläutert. Darin bezeichnet F_NO die F-Zahl, f die Brennweite, W den halben Feldwinkel, f_B die hintere Bildweite, R den Krüm mungsradius der Linsenflächen, D die Linsendicke oder den Abstand, N_d den Brechungsindex bei der d-Linie und ν die Abbe-Zahl bei der d-Linie. Weiterhin bezeichnen in den Diagrammen der Aberrationen SA die sphärischen Aberratio nen, SC die Sinusbedingung, die d-, g- und c-Linien die chromatischen Aberra tionen, dargestellt durch die sphärischen Aberrationen bei den-jeweiligen Wellen längen, S die sagittale Bildfläche und M die meridionale Bildfläche.

Ausführungsbeispiel 1

Die Fig. 1 bis 4 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel des Variolinsensystems nach der Erfindung. Fig. 1 zeigt die Linsenanordnung des Variolinsensystems, das von der Objektseite betrachtet in nachstehender Reihenfolge folgende Kom ponenten enthält: eine aus fünf Linsenelementen bestehende positive erste Lin sengruppe 10, wobei die Linsenelemente in vier Unterlinsengruppen aufgeteilt sind, eine Blende S und eine aus drei Linsenelementen bestehende negative zweite Linsengruppe, wobei die Linsenelemente in drei Linsenuntergruppen auf geteilt sind. Die Fig. 2, 3 und 4 zeigen die Diagramme der Aberrationen für die Einstellung kürzester Brennweite, die Einstellung mittlerer Brennweite und die Einstellung längster Brennweite des Variolinsensystems. Tabelle 1 zeigt numeri sche Daten des ersten Ausführungsbeispiels.

Tabelle 1

Ausführungsbeispiel 2

Die Fig. 5 bis 8 zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel des Variolinsensystems nach der Erfindung. Fig. 5 zeigt die Linsenanordnung des Variolinsensystems. Die Fig. 6, 7 und 8 zeigen die Diagramme der Aberrationen für die Einstellung kürzester Brennweite, mittlerer Brennweite und längster Brennweite. Tabelle 2 zeigt numerische Daten des zweiten Ausführungsbeispiels. Die Grundlinsenan ordnung ist die gleiche wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel.

Tabelle 2

Ausführungsbeispiel 3

Die Fig. 9 bis 12 zeigen ein drittes Ausführungsbeispiel des Variolinsensystems nach der Erfindung. Die Fig. 9 zeigt die Linsenanordnung des Variolinsensy stems. Die Fig. 10, 11 und 12 zeigen die Diagramme der Aberrationen für die Einstellung kürzester Brennweite, mittlerer Brennweite und längster Brennweite. Tabelle 3 zeigt numerische Daten des dritten Ausführungsbeispiels. Die erste Linsengruppe 10 setzt sich aus fünf Linsenelementen zusammen, die in vier Lin senuntergruppen unterteilt sind. Die zweite Linsengruppe 20 setzt sich aus zwei Linsenelementen zusammen, die in zwei Linsenuntergruppen unterteilt sind.

Tabelle 3

Tabelle 4 zeigt die numerischen Daten für jede Beziehung für die Ausführungs beispiele 1 bis 3.

Tabelle 4

Wie aus Tabelle 4 ersichtlich, erfüllen die Ausführungsbeispiele 1 bis 3 die Be ziehungen (1) bis (3).

Wie die offenbarten Ausführungsbeispiele zeigen, ist durch die Erfindung ein preisgünstiges, aus zwei Linsengruppen bestehendes Variolinsensystem gege ben, bei dem die Bewegungsstrecken der Linsengruppen verkürzt sind und das bei ausreichend optischer Leistung eine verkürzte Gesamtlänge, einen halben Feldwinkel von etwa 30° und ein Brennweitenverhältnis von etwa 2,5 bis 3 hat.

Claims

1. Variolinsensystem mit einer positiven ersten Linsengruppe (10) und einer negativen zweiten Linsengruppe (20), die in der genannten Reihenfolge von der Objektseite aus betrachtet angeordnet und zur Brennweitenänderung unter Veränderung ihres gegenseitigen Abstandes bewegbar sind, wobei folgende Bedingung erfüllt ist:
-7,0 < f_T/f_2G < -5,1 (1)
worin f_T die Brennweite des gesamten Linsensystems bei der Einstellung längster Brennweite und f_2G die Brennweite der zweiten Linsengruppe (20) bezeichnet.

2. Variolinsensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß folgen de Bedingung erfüllt ist:
4,2 < f_T/f_1G < 6,0 (2)
worin f_1G die Brennweite der ersten Linsengruppe (10) bezeichnet.

3. Variolinsensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Linsenelement in der negativen zweiten Linsengruppe (20) eine asphärische Fläche hat, die folgende Bedingung erfüllt:
0 < ΔI_ASP < 3 (3)
worin ΔI_ASP die Variation der Koeffizienten der sphärischen Aberration der asphärischen Fläche bezeichnet, wenn die Brennweite bei der Einstellung kürzester Brennweite mit 1,0 angenommen wird.