DE69808001T2 - Hochleistungs-Zoom-Objektiv - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein Hochleistungs-Zoom-Objektiv nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• Optische Hochleistungssysteme, beispielsweise für die Kinematographie, für Hochauflösungssysteme ("HDTV") und fortschrittliche Television ("ATV") erfordern verbesserte optische Charakteristiken und Leistungsfähigkeit, was üblicherweise mittels Verwendung separater Objektivlinsen unterschiedlicher fester Brennweiten zum Erreichen unterschiedlicher photographischer Funktionen, welche durch die Brennweite bestimmt oder beeinflusst werden, erreicht wird. Es gibt kinematographische Vorteile gegenüber der Verwendung von Zoomlinsen zur Variation der effektiven Brennweite der Objektivlinsen ohne Notwendigkeit eines Wechsels der Objektivlinsen, und es besteht auch die Möglichkeit einer Reduzierung der Kosten gegenüber des Vorhandenseins mehrerer unterschiedlicher Linsen, insbesondere innerhalb des normalen Bereichs der gewünschten Brennweiten, die beim Photographieren normaler Schauplätze verwendet werden können, die einen Bereich von Hoch- Weitwinkel bis Standard-Brennweiten erfordern. Allerdings weisen bislang erhältliche Zoomlinsen einen oder mehrere unerwünschte Nachteile auf, wie beispielsweise den Bereich der Brennweiten, die Unfähigkeit zu einer angemessenen Fokussierung über den gesamten Brennweitenbereich, die Unfähigkeit einer Fokussierung auf nahegelegene Objekte, den Mangel an geeigneter optischer Leistungsfähigkeit über den gesamten Brennweitenbereich und Brennpunktabstand, die Kosten, die großen Abmessungen und dergleichen.
• Aus DE 2533194 ist eine übliche Ausführung von Zoomlinsen bekannt, welche eine Fokussierlinsengruppe, einen Variator, einen Kompensator und ein Relay, in dieser Reihenfolge angeordnet, aufweisen. Die Fokussierlinsengruppe ist in zwei Untergruppen unterteilt. Die erste dieser Untergruppen ist beweglich, wohingegen die zweite Untergruppe stationär ist.
• Aus JP 08 005921 ist ein Zoomlinsensystem mit 5 Linsengruppen bekannt. Die vordere Linsengruppe ist in 3 Untergruppen unterteilt, nämlich eine vordere positive, eine mittlere positive und eine hintere negative Untergruppe. Die vordere positive und die mittlere positive Untergruppe sind bezüglich der stationären hinteren Untergruppe beweglich.
• Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Hochleistungs-Zoom-Objektiv zu schaffen, welches über den gesamten Brennweitenbereich eine optimale optische Leistungsfähigkeit und Brennweiten von sehr nahe bis unendlich aufweist.
• Insbesondere ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein solches Zoomlinsensystem mit einem Brennweiten-Zoom-Bereich von etwa 14,5 mm bis 50 mm zu schaffen, das im wesentlichen die optische Leistungsfähigkeit qualitativ hochwertiger fester Objektivlinsen desselben Bereichs aufweist.
• Es ist ein weiteres Ziel, ein Weitwinkel-Zoom-Objektiv zu schaffen, welches das Bild in einem perfekten Fokus über den gesamten Zoombereich bei behält.
• Dies wird mittels den Merkmalen im Patentanspruch 1 erreicht. Bevorzugte Ausführungsformen werden in den abhängigen Patentansprüchen 2 bis 27 beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen:
• Fig. 1 zeigt ein optisches Diagramm des Hochleistungs-Zoom- Objektivs der vorliegenden Erfindung;
• und Fig. 2-5 sind optische Diagramme des Zoomlinsensystems aus Fig. 1, in welchem unterschiedliche Positionen der Fokussierlinsengruppen und Zoomlinsengruppen zur Erzeugung unterschiedlicher Brennweiten und Fokusabstände dargestellt sind.
Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung:
• Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den beigefügten Abbildungen und Tabellen dargestellten Konstruktionsbeispiels beschrieben. Unter Bezugnahme zunächst auf Fig. 1 ist jedes Linsenelement mit einer Ziffer von 1 bis 23 bezeichnet, und die allgemeine Konfiguration jedes Linsenelements ist dargestellt, wobei allerdings der tatsächliche Radius jeder Linsenoberfläche weiter unten in einer Tabelle angegeben ist. Die Linsenoberflächen, einschließlich optischer Blindflächen zur Verwendung für Konstruktionsberechnungszwecke werden mit dem Buchstaben "S" gefolgt von ein er Ziffer von S1 bis S48 bezeichnet.
• Zu jedem Linsenelement sind dessen gegenüberliegende Oberflächen reit einer separaten, jedoch nachfolgenden Oberflächenziffer bezeichnet, wobei beispielsweise Linsenelement 1 die Linsenoberflächen S2 und S3, Linsenelement 11 die Linsenoberflächen S21 und S22 und so weiter aufweist, wie in Fig. 1 dargestellt ist, außer dass für Dublettlinsenkomponenten 1D, 2D, 3D und 4D die zusammentreffenden, einander zugewandten Linsenoberflächen mit einer einzigen Oberflächenziffer bezeichnet sind. Beispielsweise ist Dublett 1D aus Linsenelement 5 aufgebaut, welches eine vordere Linsenoberfläche S11 und eine hintere Linsenoberfläche S12 aufweist, und Linsenelement 6 weist eine vordere Linsenoberfläche S12 (zusammentreffend) und eine hintere Linsenoberfläche S13 auf. Die Position des zu photographierenden Objekts, insbesondere hinsichtlich des Fokusabstandes, wird mittels einer vertikalen Linie und dem Buchstaben "O" auf der optischen Achse identifiziert, optische Blindflächen, die in den optischen Datentabellen verwendet werden, sind mittels vertikaler Linien, die als S1, S10, S40 und S47 nummeriert sind, bezeichnet, und die hintere Bildoberfläche ist mit dem Bezugszeichen S48 identifiziert. Die Blindfläche S47, die zur Durchführung der Berechnungen verwendet wird, fällt im wesentlichen mit der Realbildoberfläche S48 an sämtlichen Positionen der Fokussier- und Zoomlinsengruppen zusammen. Sämtliche der Linsenoberflächen sind sphärisch, bis auf die Linsenoberflächen 3 und 44, die asphärische Oberflächen darstellen, welche nicht-sphärisch, nicht-plan aber rotationssymmetrisch um die optische Achse sind.
• Vor der Beschreibung der detaillierten Merkmale der Linsenelemente wird eine allgemeine Beschreibung der Linsengruppen und ihren axialen Positionen und Bewegungen für das Zoomlinsensystem dieser Erfindung, im allgemeinen mit "50" bezeichnet angegeben. Beginnend an dem zu photographierenden Objekt O zugewandten Ende, d. h. dem Unken Ende in Fig. 1, weist die Fokussierlinsengruppe 51 eine erste Fokussierlinsengruppe 52 mit Linsenelementen 1 und 2, und eine zweite Fokussierlinsengruppe 53 mit Linsenelementen 3 und 4 auf. Eine Zoomlinsengruppe 54 weist eine Zoomlinsengruppe 55 auf, die als Zoomkompensator dient, und eine zweite Linsengruppe 56, die als Zoomvariator dient. Der Zoomkompensator 55 weist, in Fig. 1 von links nach rechts, eine erste Dublettlinsenkomponente 1D mit Linsenelementen 5 und 6, ein Singulettlinsenelement 7, eine zweite Dublettlinsenkomponente 2D mit Linsenelementen 8 und 9, und ein Singulettlinsenelement 10 auf. Der Zoomvariator 56 weist, in Fig. 1 von links nach rechts, ein Singulettlinsenelement 11, eine regelbare optische Blende (Iris) S23, Singulettlinsenelemente 12-15, eine erste Dublettlinsenkomponente 3D mit Linsenelementen 16 und 17, eine zweite Dublettlinsenkomponente 4D mit Linsenelementen 18 und 19, und ein Singulettlinsenelement 20 auf. Die Hilfslinsengruppe 57 weist Singulettlinsenelemente 21, 22 und 23 auf.
• Die positive oder negative Leistung jedes Linsenelementes ist weiter unten in Tabelle 1 angegeben. Die resultierende optische Leistung jeder Untergruppe von Linsen ist wie folgt: Die erste Fokussiergruppe 52 ist negativ, die zweite Fokussiergruppe 53 ist positiv, der Zoomkompensator 55 ist negativ, der Zoomvariator 56 ist positiv und die Hilfslinsengruppe 57 ist schwach positiv. Die kombinierte optische Leistung der Fokussierlinsengruppe 51 ist negativ.
• Jede der Linsengruppen 52, 53, 55 und 56 ist in beide Richtungen entlang der optischen Achse zur Fokussierung und zum Zoomen beweglich. Die Hilfslinsengruppe 57b bleibt in einem festen Abstand von der Realbildoberfläche S48 stationär. Die horizontalen Doppelpfeile im oberen Abschnitt aus Fig. 1 zeigen an, dass jede der Linsenuntergruppen 52, 53 und 56 in beiden axialen Richtungen beweglich ist, aber auf monotone Weise (d. h. in nur einer Richtung beim Fortschreiten von einer Extremeinstellung bis zur anderen), und der halbkreisförmige Pfeil und die Pfeilrichtung für die Zoomlinsenuntergruppe 55 zeigen an, dass deren Bewegung nicht-monoton ist, d. h. die Bewegung kehrt während des Zoomvorgangs in einer optischen Richtung um, beispielsweise Von der minimalen Brennweite bis zur maximalen Brennweite.
• Wenn auch in Fig. 1 nur die Linsenelemente physikalisch dargestellt sind, versteht es sich, dass herkömmliche mechanische Vorrichtungen und Mechanismen zum Abstützen der Linsenelemente und zum Bewirken einer axialen Bewegung der beweglichen Linsengruppen in einem herkömmlichen Linsengehäuse oder Objektivtubus vorgesehen sind.
• Die Linsenaufbau- und Herstellungsdaten für das oben beschriebene Zoomlinsensystem 50 sind in Tabelle 1 angegeben, welche aus Daten extrahiert wurde, die mittels der Code V® optischen Konstruktionssoftware erzeugt wurden, welche bei der Firma Optical Research Associates, Inc., Pasadena, Kalifornien, USA, kommerziell erhältlich ist und auch zur Erzeugung der optischen Diagramme in Fig. 1-5 verwendet wurde. Sämtliche Daten in Tabelle 1 werden bei einer Temperatur von 20ºC (68ºF) und Standardatmosphärendruck (760 mm Hg) angegeben. In der gesamten Beschreibung, einschließlich der Tabellen, werden sämtliche Messungen in Millimetern (mm) angegeben, mit Ausnahme der Wellenlängen, die in Nanometern (nm) angegeben sind. In Tabelle 1 identifiziert die erste Spalte "Element" jedes optische Element und jede Position, d. h. Objektebene, Blindoberfläche etc., mit derselben Ziffer oder Markierung wie in Fig. 1. Die zweite und dritte Spalte identifizieren die "Gruppe" bzw. "Untergruppe", zu der dieses optische Element (Linse) gehört, mit den gleichen Bezugszeichen, die in Fig. 1 verwendet werden. Die vierte Spalte (Oberfläche) ist eine Liste von Oberflächenzahlen des Objekts (Zeile "O" in Fig. 1 und "Objektebene" in Tabelle 1), der optischen Blindoberfläche S1, S10, S40 und S47, der Iris (Blende) S23 und jeder der Oberflächen der Linsen, wie in Fig. 1 identifiziert. Die fünfte bzw. sechste Spalte "Fokusposition" bzw. "Zoomposition" identifizieren drei typische Fokuspositionen (F1, F2 und F3) der Fokussierlinsengruppen 52 und 53 und vier typische Positionen (Z1, Z2, Z3 und Z4) der Zoomlinsengruppen 55 und 56, wobei es Änderungen im Abstand (Trennung) zwischen einigen der in der vierten Spalte aufgelisteten Oberflächen gibt, wie weiter unten näher beschrieben wird. Die siebte Spalte "Dicke oder Abstand" ist der axiale Abstand zwischen dieser Oberfläche (vierte Spalte) und der nächsten Oberfläche, beispielsweise beträgt der Abstand zwischen Oberfläche S2 und Oberfläche S3 5000 mm. Die achte Spalte, überschrieben mit Bezeichnung "Krümmungsradius", ist eine Liste des optischen Oberflächenkrümmungsradius jeder Oberfläche, wobei ein Minuszeichen (-) bedeutet, dass der Mittelpunkt des Krümmungsradius links von der Oberfläche liegt, wie in Fig. 1 gezeigt ist, und wobei "flach" bedeutet, dass entweder eine optisch flache Oberfläche oder eine optische Blindfläche vorliegt. Das Sternchen (*) für die Oberflächen S3 und S44 zeigt an, dass diese asphärische Oberflächen sind, für die der "Krümmungsradius" ein Basisradius ist, und die Formel und die Koeffizienten für diese beiden Oberflächen werden als Fußnote zu Tabelle 1 bei dem * (Stern) angegeben. Die neunte Spalte "Optische Leistung" gibt an, ob das Linsenelement ("Element" in der ersten Spalte) von positiver (Pos.) oder negativer (Neg.) optischer Leistung ist.
• Die nächsten drei Spalten aus Tabelle 1 beziehen sich auf das "Material" zwischen der Oberfläche (vierte Spalte) und der in Richtung nach rechts nächsten Oberfläche in Fig. 1, wobei die zehnte Spalte "Typ" anzeigt, ob sich zwischen den beiden Oberflächen eine Linse (Glas) oder leerer Raum (Luft) befindet. Sämtliche dieser Linsen sind aus Glas, und die elfte Spalte "Code" identifiziert das optische Glas. Beispielsweise sind sämtliche Linsengläser aus Gläsern ausgewählt, die von der Firma Ohara Corporation erhältlich sind, und die zwölfte Spalte "Name" listet die Ohara- Identifizierung für jeden Glastyp auf, was jedoch so zu verstehen ist, dass jedes äquivalente oder gleichwirkende Glas verwendet werden kann.
• Die letzte Spalte in Tabelle 1, die mit "Maximaler Aperturdurchmesser" überschrieben ist, gibt den maximalen Durchmesser für jede Oberfläche, durch die Lichtwellen hindurchtreten, an. Jeder der maximalen Aperturdurchmesser, außer für die Irisoberfläche S23, ist für sämtliche Fokus- und Zoompositionen bei einer Wellenlänge von 546,1 nm für eine maximale Bildgröße von 14,45 mm und eine konstante 1- Zahl von f/2,2 bei der Bildebene angegeben. Der maximale Aperturdurchmesser der Irisoberfläche S23 ist in Tabelle 1 bei einer Wellenlänge von 546,1 nm und einer f-Zahl von f/2,2 bei der Bildebene für die Zoomposition Z4 angegeben. Für Zoompositionen 1, 2 und 3 betragen die maximalen Aperturdurchmesser bei der Irisoberfläche S23 bei einer Wellenlänge von 546,1 nm und einer f-Zahl von f/2,2 an der Bildebene 29,30 mm, 33,35 mm bzw. 39,26. Bei der Bildebene S48 ist der maximale Aperturdurchmesser als paraxialer Wert angegeben.
• * Oberflächenprofile der asphärischen Oberflächen S3 und S44 sind durch die folgende herkömmliche Gleichung bestimmt:
• wobei gilt:
• CURV = 1/(Krümmungsradius)
• Y = Aperturhöhe, gemessen senkrecht zur optischen Achse
• K, A, B, C, D, E = Koeffizienten
• Z = Position eines Oberflächenprofils für einen gegebenen Y-Wert, gemessen entlang der optischen Achse von dem Pol (d. h. dem axialen Scheitelpunkt) der Oberfläche.
• Die Koeffizienten für die Oberfläche S3 der Linse 1 betragen:
• K = -1.5066
• A = 2.0962 · 10&supmin;&sup6;
• B = -7.9395 · 10&supmin;¹&sup0;
• C = 6.1324 · 10&supmin;¹³
• D = -2.8537 · 10&supmin;¹&sup6;
• E = 3.1072 · 10&supmin;²&sup0;
• Die Koeffizienten für die Oberfläche S44 der Linse 22 betragen:
• K = -2.2286
• A = 2.2871 · 10&supmin;&sup6;
• B = -2.1575 · 10&supmin;&sup9;
• C = 9.2167 · 10&supmin;¹²
• D = 1.2856 · 10&supmin;¹&sup4;
• E = 0,0
• Die zuvor genannte Fußnote * für Tabelle 1 enthält die Gleichung zum Berechnen der Form der asphärischen Oberflächen S3 und S44 für den Wert Z, wobei CURV die Krümmung an dem Scheitelpunkt der Oberfläche ist, Y die Höhe oder der Abstand von der optischen Achse an einem speziellen Punkt auf der Oberfläche des Glases, K der konische Koeffizient, und A, B, C, D und E die Deformationskoeffizienten vierter, sechster, achter, zehnter bzw. zwölfter Ordnung sind, was eine wohlbekannte Gleichung bzw. Werte zum Berechnen der Form der asphärischen Oberfläche darstellt.
• Es ist aus Tabelle 1 ersichtlich, dass die hintere Brennweite (BFL), welche der Abstand von der letzten optisch brechenden Oberfläche S46 bis zu der Realbildoberfläche S48 ist, unter sämtlichen Fokus- und Zoombedingungen konstant bleibt, welche das Linsensystem 50 liefern können, da die Hilfslinsengruppe 57 sich in einer festen Position befindet und die Konstruktion des Linsensystems 50 darauf beruht, dass die Realbildoberfläche S48 sich in einer festen axialen Position befindet und die Bildoberfläche flach ist.
• Es ist auch zu beachten, dass das Zoomlinsensystem 50 an jedem dieser Punkte, durch den Lichtstrahlen treten können, mit zwei Apertur/Feld-Blenden an den Oberflächen S11 und S44 versehen ist, welche den Durchmesser der Apertur steuern, um hierdurch jegliche Lichtstrahlen in dem Zoomlinsensystem radial hinter diesen Durchmessern auszublenden.
• Die vier Linsengruppen 52, 53, 55 und 56 sind jeweils axial unabhängig voneinander beweglich und ihre jeweiligen Bewegungen werden mittels geeigneter Mittel, beispielsweise herkömmlicher mechanischer Vorrichtungen wie Nocken oder dergleichen koordiniert, um die gewünschte Fokussier- und Zoomfunktion zu erreichen.
• Die Fokussierlinsengruppen 52 und 53 bewegen sich unabhängig von den Zoomlinsengruppen 55 und 56. Die entsprechende axiale Bewegung der ersten und zweiten Fokussierlinsengruppen 52 und 53 wird koordiniert. Obwohl sich die Zoomlinsengruppen 55 und 56 gleichzeitig bewegen und koordiniert sind, bewegt sich der Zoomvariator 56 bei Fortschreiten von der minimalen Brennweite bis zur maximalen Brennweite nur in einer Richtung (monoton), aber der Zoomkompensator bewegt sich im Bereich von minimaler bis zu maximaler Brennweite in einer Richtung und dann in die andere Richtung (nicht monoton).
• Gemäß Tabelle 1 sind zur Verdeutlichung der Reichweite und Vielseitigkeit der vorliegenden Erfindung drei verschiedene Fokuspositionen F1, F2 und F3 und vier verschiedene Zoompositionen in den Daten angegeben, welche, im Ergebnis, spezifische Daten für zwölf (3 · 4 = 12) unterschiedliche Kombinationen von Positionen für die vier beweglichen Linsengruppen liefern. Für die Fokusposition F1 wird angenommen, dass die Objektebene O im Unendlichen liegt, für F2 liegt die Objektebene bei einem mittleren Abstand von etwa 330 mm, und für F3 liegt die Objektebene O bei einem nahen Abstand von etwa 133 mm. Bei jeder der drei Fokuspositionen F1, F2 und F3 bleiben die Fokussierlinsengruppen 52 und 53 in den gleichen jeweiligen Positionen über den gesamten Bereich der Bewegung der Zoomlinsengruppen 55 und 56 (gekennzeichnet durch "Jede" in der Zoompositions-Spalte von Tabelle 1). In ähnlicher Weise bleiben für jede der vier Zoompositionen Z1, Z2, Z3 und Z4, die in Tabelle 1 angegeben sind, die Zoomlinsengruppen 55 und 56 in den gleichen jeweiligen Positionen über den gesamten Bereich der Bewegung der Fokussierlinsengruppen 52 und 53 (gekennzeichnet durch "Jede" in der Fokuspositions-Spalte aus Tabelle 1). Beispielsweise ist für die Fokusposition F1 der Abstand (Dicke oder Abstandsspalte) bis zur nächsten Oberfläche in Richtung nach rechts in Fig. 1 von der Objektebene O unendlich (d. h. der Fokus liegt im Unendlichen), von S5 trägt er 5,300 mm und von S9 4,431 mm, während die variablen Abstände bei S10, S20 und S39 über ihren gesamten Zoombereich ("Jede" in der Zoompositions-Spalte) auf dem zu photographierenden Objekt, welches sich im unendlichen Fokus befindet, variabel sind, ohne dass die Fokussierlinsengruppenpositionen geändert werden, d. h. die Abstände bei S5 und S9. In ähnlicher Weise gibt es für die Fokusposition F2 einen mittleren Fokusabstand bis zum Objekt O von 330 mm und die Abstände bei S5 und S9 betragen 7,260 mm bzw. 14,508 mm, während die Abstände bei S10, S20 und S39 für die Zoomelemente über derer gesamten Bereich variabel sind. Die Zoompositionen Z1, Z2, Z3 und Z4 sind repräsentativ für vier Positionen der Zoomlinsengruppen 55 und 56, wobei die Zoompositionen Z1 und Z4 die Extrempositionen und die Zoompositionen Z2 und Z3 Zwischenpositionen für sämtliche Fokussierlinsengruppenpositionen sind. Die Brennweite des Linsensystems 50 variiert für unterschiedliche Fokusabstände und Zoompositionen, und die Brennweite beträgt beispielsweise für unendlichen Fokus und für Zoomposition Z1 15,3 rein, für Zoomposition Z2 beträgt die Brennweite 23,9 mm, für Zoomposition Z3 beträgt die Brennweite 42,5 mm, und für Zoomposition Z4 beträgt die Brennweite 49,2 Selbstverständlich ist eine kontinuierliche Fokussierung zwischen den extremen Fokuspositionen F1 und F3 erreichbar, ein kontinuierliches Zoomen ist zwischen den extremen Zoompositionen Z1 und Z4 erreichbar, und jede Kombination zwischen kontinuierlichem Fokussieren und Zoomen ist innerhalb der beschriebenen Fokus- und Zoombereiche mit dem Linsensystem 50 erreichbar.
• Für den Fall, dass ein sehr naher Fokus oder Makrobetrieb des Zoomlinsensystems 50 erwünscht ist, kann die Zoombereichsbrennweite auf etwa 20 mm bis 50 mm bei kontinuierlicher Fokussierung reduziert werden, wobei diese Bereichsreduzierung den Sichtfeldverlust, der bei einem Bereich von 14,5 bis 50 mm auftreten würde, beseitigt, wobei allerdings üblicherweise der geringere Brennweitenbereich infolge des durch das Linsensystem 50 erzeugten sehr großen Sichtfelds nicht akzeptabel ist. Mit anderen Worten ist die Konstruktion des Zoomlinsensystems 50 für eine Bildhöhe von 14,45 mm ausgelegt, welches das sogenannte Academy-35 mm- Kinefilmformat darstellt und gegenwärtig selten benutzt wird, so dass die Reduzierung im geringeren Brennweitenbereich das herkömmliche 35 mm Kinefilmformat von etwa 12 mm Höhe nicht ernsthaft beeinflussen wird. Selbst eine geringere Brennweite als 20 mm kann erreicht werden, es besteht jedoch die Möglichkeit der Vignettierung, welche jedoch verhindert werden kann, indem der Zoombereich zwischen Zoompositionen Z1 und Z2 reduziert wird und ein kleineres Bild in Kauf genommen wird, was normalerweise akzeptabel ist. Beispielsweise liegt der mögliche Nah-/Makrofokus bei etwa zwei Zoll-Fokusabstand, die Fokussierungsdaten in Tabelle 1 für "Dicke oder Abstand" wären für Oberfläche "O" 59,137 (d. h. der Abstand zur Objektebene "O" von der Blindoberfläche S1), 34,155 für Oberfläche S9 und 8,558 für Oberfläche S5.
• Gemäß Fig. 2-5 ist das Zoomlinsensystem 50 mit den Fokussierlinsengruppen und Zoomlinsengruppen in unterschiedlichen Positionen und mit Lichtstrahlverläufen für diese Positionen gezeigt. Fig. 2 und 4 zeigen die Fokusposition F1 und Zoomposition Z1, für welche Daten in Tabelle 1 mit unendlichem Fokus und einer geringen Brennweite angegeben sind.
• Fig. 3 zeigt die Fokusposition F3 und Zoomposition Z1 aus Tabelle 1 mit einem nahen Fokus und kleiner Brennweite und ist in Überlagerung zu Fig. 2 zum Vergleich der Relativpositionen der Fokussier- und Zoomlinsengruppen 52, 53, 55 und 56 sowie der Unterschiede und Ähnlichkeiten der Lichtstrahlverläufe dargestellt. Fig. 5 zeigt die Fokusposition F1 und Zoomposition Z4 aus Tabelle 1 mit unendlichem Fokus und einer großen Brennweite und ist in Überlagerung zu Fig. 4 für denselben Vergleich dargestellt. Genauer ist in Fig. 2-5 zu beachten, dass das Paar von Lichtstrahlverläufen in der größten Nähe zur Achse vom Objektraum (links in den Figuren) hin zur optischen Achse bei dem Bildraum konvergiert. Fig. 1 zeigt die Fokusposition F2 und Zoomposition Z2 aus Tabelle 1 mit mittlerem Fokusabstand und Brennweite.
• Normalerweise ist die Iris eines Linsensystems hinter der letzten beweglichen Linsengruppe (rechts in Fig. 1-5) angeordnet, aber bei dem Zoomlinsensystem 50 ist die Iris S23 innerhalb der zweiten Zoomlinsengruppe 56 angeordnet, und daher bewegt sich die Iris S23 mit dieser in axialer Richtung. Die Größe der Apertur der Iris S23 wird eingestellt, wenn sich die Zoomlinsengruppe 54 bezüglich der maximalen Aperturdurchmesser, die in Tabelle 1 aufgelistet sind, in axialer Richtung bewegt, wie oben beschrieben wurde.
• Es ist auch zu beachten, dass die Größe der Apertur der Iris S23 nicht unabhängig von den Positionen der ersten und zweiten Fokussierlinsengruppen 52 und 53 ist. Infolge dieser Anordnung hält das Zoomlinsensystem 50 eine konstante f-Zahl von etwa 2,2 im Bildraum über den Zoombereich und den Fokusbereich aufrecht.
• Die optischen Kennwerte des Zoomlinsensystems 50 werden weiter unten in Tabelle 2 angegeben, wobei die Streuung auf Basis polychromatischer Modulationsübertragungsfunktions- ("MTF") Daten in Prozent (%) für fünf unterschiedliche Feldpositionen in sieben unterschiedlichen Kombinationen von Zoom- und Fokuspositionen als repräsentative Beispiele in Tabelle 1 angegeben ist, sowie die vollständigen Feldverzerrungsdaten in Prozent (%) und die vollständigen Feldpositionen relativ zu Beleuchtungsdaten in Prozent (%) für diese sieben Kombinationen aus Zoom- und Fokussierpositionen. Die Feldpositionen sind in zwei Werten angegeben, sowohl die tatsächliche Bildhöhe (mm) von der optischen Achse als auch die normierte Bildhöhe, welche gleich der tatsächlichen Bildhöhe geteilt durch die maximale Bildhöhe ist. Die MTF-Prozentwerte gelten bei den Wellenlängen und Gewichtungen, die in der rechten Spalte in Tabelle 2 dargestellt sind, nämlich bei 20 Zyklen/mm, was eine vergleichsweise standardmäßige Messung optischer Leistungsfähigkeit darstellt, wobei der Wert "20 Zyklen/mm" 20 Paare von schwarzen und weißen Linien pro mm in einer Darstellung bedeutet, von der die Deutlichkeit bestimmt wird. Sämtliche Kennwerte werden bei einer Temperatur von 20ºC (68ºF), Standardatmosphären pro (760 mm Hg) und bei einer vollen Apertur im Bildraum von F/2,2 angegeben. Allerdings liefert das Zoomlinsensystem 50 im wesentlichen eine konstante Leistungsfähigkeit, beispielsweise hinsichtlich der MTF-Werte, über einen Temperaturbereich von 0º bis 40ºC (32º bis 104ºF), und der Betriebstemperaturbereich kann, wenn eine geringfügige Verschlechterung der Leistungsfähigkeit (MTF) akzeptabel ist, bis auf -10º bis 50ºC (14º bis 122ºF) oder mehr ausgedehnt werden. Tabelle 2 Leistungskennwerte
• Insoweit der Eindruck entsteht, dass die MTF- Leistungsfähigkeit bei vollem Feld und etwas weniger als 0,8 normierter Bildhöhe abfällt, so ist dies zum Teil auf optische Feldaberrationen zurückzuführen, die insbesondere, jedoch nicht ausschließlich Feldkrümmung, Astigmatismus und Seitenfarben beinhalten. Da das Zoomlinsensystem 50 konstruiert wurden um das recht breite Academy-35 mm- Kinebildfeld abzudecken, welches selten verwendet wird, ist ein derartiger Abfall in der Praxis in realen Situationen, bei denen ein maximales normiertes Feld von etwa 0,8 geeignet ist, nicht von Bedeutung. Ferner ist der offenbare Abfall der MTF-Leistungsfähigkeit bei der Nullfeldposition, d. h. auf der optischen Achse, für Fokusposition F3 und Zoomposition 24 (einer langen Fokuslänge und einem nahem Fokusabstand von etwa 133 mm) nicht von besonderer Bedeutung, da Objekte in diesem nahen Fokusabstand extrem groß erscheinen werden und keine so hohe MTF-Leistungsfähigkeit wie Objekte in größerem Objektabstand erfordern. Darüber hinaus ist der wichtige Faktor bei der Bestimmung der Bildqualität/Schärfecharakteristiken von Linsen zur Filmverwendung ihre Kontrastfähigkeit bei sämtlichen Zoom- und Fokussierpositionen. Im allgemeinen sind Werte der MTF- Prozentmodulation (d. h. Kontrast) von 80% oder mehr als außergewöhnlich und Werte zwischen 50% und 80% als sehr gut anzusehen. Aus Tabelle 2 ist zu entnehmen, dass nahezu sämtliche MTF-Prozentwerte 50% übersteigen, außer im Vollfeld, wo sämtliche 40% übersteigen, und dass die meisten der MTF-Werte 70% übersteigen.
• Das sogenannte "Breathing"-Problem von Zoomlinsen, wobei sich das Bild von kurzem bis zu langem Fokus ändert, ist im Zoomlinsensystem 50 praktisch nicht vorhanden. Die Breathing- Werte aufgrund der Fokussierung in prozentualer (%) Änderung der Bildgröße sind in Tabelle 3 weiter unten angegeben, wo zu entnehmen ist, dass die Werte relativ klein für Zoomposition Z1 und Z2 (von Tabelle 1) verglichen zu Zoompositionen Z3 und Z4 sind. Da die Schärfentiefe für Zoompositionen Z1 und Z2 relativ groß verglichen zu den Zoompositionen Z3 und Z4 sind, sollten die Breathing-Werte klein sein, so dass der Breathing-Effekt nicht wahrnehmbar ist. Natürlich sollten die Breathing-Werte in Zoompositionen Z3 und Z4 idealerweise klein sein, wenn sie es jedoch nicht sind, wie im vorliegendem Fall, sind diese Effekte aufgrund der geringen Schärfentiefe nicht besonders wahrnehmbar. Tabelle 3
• Die Werte in Tabelle 3 werden bei einer Wellenlänge von 546,1 nm basierend auf der Differenz zwischen dem Vollfeld- Hauptstrahlwinkel (in Grad) bei Fokusposition F1 und Fokuspositionen F2 und F3 gemessen, wo die Vollfeld- Hauptstrahlen bei sämtlichen Fokuspositionen eine Bildhöhe von 14,45 mm bei der Bildebene erzeugen.
• Wenn auch die vorliegende Erfindung im Zusammenhang mit dem Zoomlinsensystem 50 mit geeigneten Abmessungen zur Verwendung in einer 35 mm-Kinefilmkamara beschrieben wurde, können die Abmessungen dieses Zoomlinsensystems in geeigneter Weise oben oder unten zur Verwendung mit unterschiedlichen Filmbildformaten skaliert werden, insbesondere jedoch nicht ausschließlich 16 mm, Super 16 mm, 35 mm, 65 mm, IMAX®, OMNIMAX® und dergleichen, und diverse Videoformate einschließlich hochauflösender Television (HDTV) fortschrittlicher Television (HTV) und allgemeiner digitaler Television.
• Zu den vielen Vorteilen des Zoomlinsensystems 50 gemäß der vorliegenden Erfindung zählt es auch, dass sie einen weiten Bereich von Fokuslängen schafft, die beim Film höchst gebräuchlich sind, wodurch das Erfordernis von wenigstens sieben Objektivlinsen mit fester Brennweite zum Erreichen der geeigneten Vielseitigkeit für qualitativ hochwertige Kinematografie eliminiert wird, wodurch die Verwendung dieses Zoomlinsensystems zu größerer Flexibilität und geringeren Kosten führt. Ferner erzeugt die einzigartige Konstruktion des Zoomlinsensystems 50 geringere Linsen als die meisten Hochleistungszoomlinsensysteme mit vergleichbarem Fokuslängenbereich und ist nur wenig größer als die größten Objektivlinsen mit fester Brennweite in dem selben Bereich. Darüber hinaus eliminiert die einzigartige Linsenkonstruktion des Zoomlinsensystems 50 praktisch das sogenannte "Breathing"-Problem, bei dem die Bildgröße sich bei Änderung des Fokus von kurzen zu langen Fokuslängen ändert. Andere Eigenschaften und Vorteile des Zoomlinsensystems 50 werden für den Fachmann anhand der vorstehenden Beschreibung und der beigefügten Abbildungen deutlich.

Claims (27)

1. Hochleistungs-Zoom-Objektiv mit Mehrfach- Fokussierlinsengruppen (51), Mehrfach-Zoom-Linsengruppen (54) und einer Hilfslinsengruppe (57), die entlang einer gemeinsamen optischen Achse ausgerichtet und so angeordnet sind, dass sie von einem Objektraum ausgestrahlte Strahlung sammeln und die Strahlung als Realbild zu einem axial stationären Bildraum liefern, dadurch gekennzeichnet, dass die Linsengruppen in der folgenden Reihenfolge auf der optischen Achse und entlang dieser beweglich folgendermaßen angeordnet sind, wobei die Mehrfach-Fokussierlinsengruppen eine erste Fokussierlinsengruppe (52) von negativer optischer Leistung und eine zweite Fokussierlinsengruppe (53) von positiver optischer Leistung aufweisen, wobei die Mehrfach- Zoom-Linsengruppen eine erste Zoom-Linsengruppe mit einem Kompensator (55) von negativer optischer Leistung und eine zweite Zoom-Linsengruppe mit einem Variator (56) von positiver optischer Leistung aufweisen, wobei die erste und die zweite Fokussierlinsengruppe und die erste und die zweite Zoom-Linsengruppe sämtlich axial beweglich sind, und wobei die Hilfslinsengruppe axial stationär ist.

2. Hochleistungs-Zoom-Objektiv nach Anspruch 1, wobei die erste und die zweite Fokussierlinsengruppe eine kombinierte negative optische Leistung aufweisen.

3. Hochleistungs-Zoom-Objektiv nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Zoom-Linsengruppe in nicht-gleichförmiger Weise zunächst in einer axialen Richtung und dann in der anderen axialen Richtung über einen vollständigen Bereich von Brennweiten zwischen einer minimalen Brennweite und einer maximalen Brennweite des Zoom-Objektivs axial beweglich ist.

4. Hochleistungs-Zoom-Objektiv nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die erste Fokussierlinsengruppe eine nicht-sphärische, nicht-plane, optisch brechende Oberfläche (S3) aufweist.

5. Hochleistungs-Zoom-Objektiv nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, wobei die Hilfslinsengruppe eine nicht-sphärische, nicht- plane, optisch brechende Oberfläche aufweist (S44).

6. Hochleistungs-Zoom-Objektiv nach Anspruch 5, wobei das Zoom-Objektiv verbleibende optisch brechende Oberflächen aufweist, die sämtlich im wesentlichen zumindest entweder sphärisch oder plan sind.

7. Hochleistungs-Zoom-Objektiv nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, wobei die Hilfslinsengruppe eine schwache optische Leistung aufweist und die einzige Hilfslinsengruppe darstellt.

8. Hochleistungs-Zoom-Objektiv nach Anspruch 7, wobei die Hilfslinsengruppe eine positive optische Leistung aufweist.

9. Hochleistungs-Zoom-Objektiv nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 5, 7 oder 8, wobei die zweite Zoom-Linsengruppe eine einstellbare Irisblende (S23) aufweist.

10. Hochleistungs-Zoom-Objektiv nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 oder 9, wobei in der ersten Zoom-Linsengruppe eine feste optische Blickfeldblende (S11) vorgesehen ist.

11. Hochleistungs-Zoom-Objektiv nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 oder 10, wobei in der Hilfslinsengruppe eine feste optische Blickfeldblende (S44) vorgesehen ist.

12. Hochleistungs-Zoom-Objektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die erste und die zweite Fokussierlinsengruppe Linsenelemente zum Minimieren von Größenänderungen von im Realbild erscheinenden Objekten während Änderungen der Brennweite von nahen zu entfernten Objekten mittels axialer Bewegung der ersten und zweiten Fokussierlinsengruppe aufweisen.

13. Hochleistungs-Zoom-Objektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die erste Fokussierlinsengruppe wenigstens zwei optisch brechende Linsenelemente (1, 2) umfasst und wenigstens eine asphärische Linsenoberfläche (S3) aufweist.

14. Hochleistungs-Zoom-Objektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die zweite Fokussierlinsengruppe wenigstens zwei optisch brechende Linsenelemente (3, 4) aufweist.

15. Hochleistungs-Zoom-Objektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die erste Zoom-Linsengruppe sechs optisch brechende Linsenelemente (5, 6, 7, 8, 9, 10) aufweist, welche zwei Paare von Doppelobjektiven (1D, 2D) aufweisen.

16. Hochleistungs-Zoom-Objektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei die zweite Zoom-Linsengruppe zehn optisch brechende Linsenelemente (11-20) aufweist, welche zwei Paare von Doppelobjektiven (3D, 4D) aufweisen.

17. Hochleistungs-Zoom-Objektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei die Hilfslinsengruppe wenigstens drei optisch brechende Linsenelemente (21, 22, 23) aufweist, und wenigstens eine asphärische Linsenoberfläche (S44) aufweist.

18. Hochleistungs-Zoom-Objektiv nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei das Zoom-Linsensystem ein Linsenelement (1) aufweist, welches eine asphärische Linsenoberfläche (S3) aufweist, deren Profil durch folgende Gleichung und Koeffizienten bestimmt wird;

wobei gilt:

CURV = 1/(Krümmungsradius)

Y = Aperturhöhe, gemessen senkrecht zur optischen Achse

K, A, B, C, D, E = Koeffizienten

Z = Position eines Oberflächenprofils für einen gegebenen Y-Wert, gemessen entlang der optischen Achse von dem Pol (d. h. dem axialen Scheitelpunkt) der Oberfläche und

wobei die Koeffizienten für die asphärische Linsenoberfläche betragen:

K = -1.5066

A = 2.0962 · 10&supmin;&sup6;

B = -7.9395 · 10&supmin;¹&sup0;

C = 6.1324 · 10&supmin;¹³

D = -2.8537 · 10&supmin;¹&sup6;

E = 3.1072 · 10&supmin;²&sup0;

19. Hochleistungs-Zoom-Objektiv nach Anspruch 18, wobei die asphärische Linsenoberfläche in der ersten Fokussierlinsengruppe enthalten ist.

20. Hochleistungs-Zoom-Objektiv nach Anspruch 1, 2, 3, 18 oder 19, wobei das Zoom-Objektiv ein Linsenelement (22) mit einer asphärischen Linsenoberfläche (S44) aufweist, deren Profil durch die folgende Gleichung und Koeffizienten bestimmt wird;

wobei gilt:

CURV = 1/(Krümmungsradius)

Y = Aperturhöhe, gemessen senkrecht zur optischen Achse

K, A, B, C, D, E = Koeffizienten

Z = Position eines Oberflächenprofils für einen gegebenen Y-Wert, gemessen entlang der optischen Achse von dem Pol (d. h. dem axialen Scheitelpunkt) der Oberfläche und

die Koeffizienten für die asphärische Linsenoberfläche betragen:

K = -2.2286

A = 2.2871 · 10&supmin;&sup6;

B = -2.1575 · 10&supmin;&sup9;

C = 9.2167 · 10&supmin;¹²

D = -1.2856 · 10&supmin;¹&sup4;

E = 0.0

21. Hochleistungs-Zoom-Objektiv nach Anspruch 20, wobei die asphärische Linsenoberfläche in der Hilfslinsengruppe enthalten ist.

22. Hochleistungs-Zoom-Objektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 21, wobei die zweite Zoomlinsen-Gruppe in gleichförmiger Weise entlang des voll ständigen Bereichs zwischen minimaler und maximaler Brennweite axial beweglich ist, und wobei die Hilfslinsengruppe axial stationär ist.

23. Hochleistungs-Zoom-Objektiv nach Anspruch 1, wobei die erste Fokussierlinsengruppe wenigstens eine nicht-sphärische, nicht-plane, optisch brechende Oberfläche aufweist, wobei die zweite Zoom-Linsengruppe eine einstellbare optische Blende aufweist, wobei die Hilfslinsengruppe von positiver optischer Leistung mit wenigstens einer nicht-sphärischen, nicht- planen, optisch brechenden Oberfläche ist, wobei das Zoom- Objektiv verbleibende optisch brechende Oberflächen aufweist, die im wesentlichen zumindest entweder sphärisch oder plan sind, und wobei das Zoom-Objektiv mittels axialer Positionierung der Mehrfach-Fokussierlinsengruppen und der Mehrfach-Zoom-Linsengruppen im Realbild ein hohes Maß optischer Leistungsfähigkeit durch Fokussier- und Zoombereiche liefert.

24. Hochleistungs-Zoomobjektiv nach Anspruch 1, mit einer Vielzahl von Glas-Linsenelementen (1-23), die auf der optischen Achse in solcher Reihenfolge ausgerichtet sind,

dass die Linsenelemente die Mehrfach- Fokussierlinsengruppen (51), welche die erste Fokussierlinsengruppe (52) und die zweite Fokussierlinsengruppe (53) aufweisen, bilden, wobei die Mehrfach-Zoom-Linsengruppen (54) die erste Zoom-Linsengruppe (55), die zweite Zoom-Linsengruppe (56) und die Hilfslinsengruppe (57) aufweisen;

wobei die erste Fokussierlinsengruppe Linsenelemente (1 und 2) aufweist, wobei die zweite Fokussierlinsengruppe Linsenelemente (3 und 4) aufweist, wobei die erste Zoom- Linsengruppe Linsenelemente (5 bis 10) aufweist, wobei die zweite Fokussierlinsengruppe Linsenelemente (11 bis 20) aufweist und wobei die Hilfslinsengruppe Linsenelemente (21, 22 und 23) aufweist; und

wobei die Linsenelementoberflächen, Blindflächen, eine Irisblende, eine Objektebene und eine Bildebene als (0) und (S1 bis S48) in der folgenden Tabelle bezeichnet sind, wobei die Linsenelementoberflächen S3 und S44 asphärisch sind, und wobei die Linsenelemente, Linsenelementoberflächen, Blindflächen, Irisblende, Objektebene und Bildebene die folgenden Beziehungen und Eigenschaften aufweisen:

25. Hochleistungs-Zoom-Objektiv nach Anspruch 24, wobei die maximalen Aperturdurchmesser in mm bei jeder Oberfläche S1 bis S48 mit Ausnahme der Blindflächen, folgende Werte besitzen: 124.80 bei S2, 90.57 bei S3, 90.24 bei S4, 73.22 bei S5, 73.95 bei S6, 68.33 bei S7, 64.89 bei S8, 62.41 bei S9, 48.90 bei S11, 47.92 bei S12, 45.43 bei S13, 45.15 bei S14, 44.15 bei S15, 44.47 bei S16, 43.55 bei S17, 41.81 bei S18, 41.84 bei S19, 41.17 bei S20, 41.12 bei S21, 41.10 bei S22, 40.98 bei S23, 42.20 bei S24, 41.99 bei S25, 41.96 bei S26, 44.73 bei S27, 47.12 bei S28, 47.81 bei S29, 47.23 bei S30, 48.06 bei S31, 48.29 bei S32, 51.41 bei S33, 52.55 bei S34, 57.81 bei S35, 58.48 bei S36, 58.93 bei S37, 59.41 bei S38, 58.70 bei S39, 29.97 bei S41, 29.72 bei S42, 29.34 bei S43, 28.50 bei S44, 28.58 bei S45, 28.75 bei S46, 28.90 bei S48.

26. Hochleistungs-Zoom-Objektiv nach Anspruch 24, wobei die asphärische Linsenoberfläche (S3) ein Profil besitzt, welches durch folgende Gleichung und Koeffizienten bestimmt wird:

wobei gilt:

CURV = 1/(Krümmungsradius)

Y = Aperturhöhe, gemessen senkrecht zur optischen Achse

K, A, B, C, D, E = Koeffizienten

Z = Position eines Oberflächenprofils für einen gegebenen Y-Wert, gemessen entlang der optischen Achse von dem Pol (d. h. dem axialen Scheitelpunkt) der Oberfläche und

die Koeffizienten für die aspärische Linsenoberfläche Beträgen:

K = -1.5066

A = 2.0962 · 10&supmin;&sup6;

C = 7.9395 · 10&supmin;¹&sup0;

C = 6.1324 · 10&supmin;¹³

D = -2.8537 · 10&supmin;¹&sup6;

E = 3.1072 · 10&supmin;²&sup0;

27. Hochleistungs-Zoom-Objektiv nach Anspruch 24 oder 26, wobei die asphärische Linsenoberfläche S44 ein Profil aufweist, welches durch folgende Gleichung und Koeffizienten bestimmt wird;

wobei gilt:

CURV = 1/(Krümmungsradius)

Y = Aperturhöhe, gemessen senkrecht zur optischen Achse

K, A, B, C, D, E = Koeffizienten

Z = Position eines Oberflächenprofils für einen gegebenen Y-Wert, gemessen entlang der optischen Achse von dem Pol (d. h. dem axialen Scheitelpunkt) der Oberfläche und

die Koeffizienten für die asphärische Linsenoberfläche betragen:

K -2.2286

A = 2.2871 · 10&supmin;&sup6;

B = -2.1575 · 10&supmin;&sup9;

C = 9.2167 · 10&supmin;¹²

D = -1.2856 · 10&supmin;¹&sup4;

E = 0.0