DE60308191T2 - Zoom mit ultrahohem vergrösserungsverhältnis - Google Patents

Zoom mit ultrahohem vergrösserungsverhältnis Download PDF

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I. Ellis Halifax Nova Scotia BETENSKY
Brian James Hallandale Beach CALDWELL
A. Iain Calabasas NEIL
Takanori Woodland Hills YAMANASHI
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    • G02B13/14—Optical objectives specially designed for the purposes specified below for use with infrared or ultraviolet radiation

Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Diese Erfindung betrifft Zoomobjektivsysteme für Kameras und andere optische Vorrichtungen und insbesondere Hochleistungszoomobjektivsysteme, die ein Bild mit hoher Qualität über einen vollen Zoombereich der Brennweiten erzeugen und dazu fähig sind, mit einem extrem hohen Zoomverhältnis ausgestattet zu sein.
  • 2. Beschreibung des Standes der Technik
  • Allgemeiner Hintergrund der Erfindung.
  • Die Verwendung von Zoomobjektivsystemen für alle Arten von Photographie, wie zum Beispiel Fernsehübertragung, hochauflösendes Fernsehen ("HDTV"), fortgeschrittenes Fernsehen ("ATV"), Video-Camcorder, Filmkinematographie und Standphotographie, ist zunehmend verbreitet geworden. Da die Verwendung von Zoomobjektivsystemen zugenommen hat, hat auch der Bedarf an breiteren Bereichen der Zoomfähigkeit, d.h. an größeren Zoomverhältnissen zugenommen. Zum Beispiel wurde die Leistungsfähigkeit des Zoomverhältnisses der Zoomobjektivsysteme, die bei der Fernsehübertragung verwendet werden, über die Jahre auf einen heutigen Maximalwert von ungefähr 101:1 stetig gesteigert, aber es besteht ein Bedarf für ein noch größeres Zoomverhältnis. Während der Brennweitenbereich eines herkömmlichen Zoomobjektivsystems durch die Verwendung eines einsetzbaren Erweiterungselements oder eines anderen Vervielfachers, wie zum Beispiel ein Fernsehübertragungs-Zoomobjektivsystem mit einem Brennweitenbereich von 8,9mm bis 900mm, der auf 17,8mm bis 1800mm erweitert wird, um die Leistungsfähigkeit des Teleobjektivs zu erhöhen, vergrößert werden kann, ändert dies nicht das Zoomverhältnis von ungefähr 101:1. Darüber hinaus bestehen für Fernsehübertragungs-Zoomobjektivsysteme etwas unterschiedliche Anforderungen für "Studio" (in einem Gebäude) oder "Außenübertragung" (außerhalb) Anwendungen hinsichtlich des Brennweitenbereichs und der akzeptablen "f" Zahlen, wobei es zur gängigen Praxis wurde, zwei unterschiedliche Zoomobjektivsysteme für Fernsehübertragungsanwendungen im Gebäude und außerhalb einzusetzen, um die Leistungsfähigkeit für beide Arten von Anwendungen zu maximieren.
  • Ferner müssen solche Linsen zusätzlich zu dem Bedarf und dem Wunsch nach Verwendung von Zoomobjektivsystemen mit breiteren Bereichen der Brennweiten anspruchsvolle optische Eigenschaften und Leistungen behalten, die vorher nur durch Verwendung getrennter Objektivlinsen mit unterschiedlichen festen Brennweiten oder von Zoomobjektivsystemen mit einem beschränkten Zoomverhältnis erreicht wurden. Da das Zoomverhältnis zunimmt, steigt auch die Schwierigkeit des Bereitstellens eines optischen Hochleistungssystems mit anspruchsvollen Eigenschaften und anspruchsvoller Leistung. Sogar die meisten früher verfügbaren Zoomobjektivsysteme mit einem beschränkten Zoombereich haben eine oder mehrere unerwünschte Beschränkungen, wie zum Beispiel die Unfähigkeit, über den gesamten Brennweitenbereich zulänglich zu fokussieren, die Unfähigkeit, auf nahe Objekte scharf zu stellen, der Mangel einer zulänglichen optischen Leistung über den gesamten Brennweitenbereich und den Fokusabstand, die Kosten, das große Format für den erreichten beschränkten Zoombereich und dergleichen.
  • Noch ferner erhöhen sich im Allgemeinen, wenn der Zoombereich eines Linsensystems erhöht wird, die Länge und das Gewicht, wodurch auch die Schwierigkeit ansteigt, die Linse und die Kamera stabil zu halten. Daher wird auch die Bildstabilisierung ein Problem für die Gestaltung eines geeigneten Zoomobjektivsystems, das einen großen Brennweitenbereich und ein hohes Zoomverhältnis aufweist.
  • Darüber hinaus wachsen gewöhnlich auch die Scharfstellprobleme, wenn der Brennweitenbereich eines Zoomobjektivsystems zunimmt. Obwohl das Fokussieren auf eine nahe Entfernung bei langen Brennweiten des Zoombereichs nicht absolut notwendig ist, wird es bei geringeren Brennweiten benötigt. In der Vergangenheit war ein kontinuierliches Fokussieren über einen beträchtlichen zusammenhängenden Bereich von unendlich zu Objekten in einem sehr kurzen Abstand, wie z.B. etwa 8 Fuß oder weniger, schwer zu erreichen. Ferner muss das Problem des "Atmens" des Endbildes (wobei sich die Aufnahmegröße ändert, wenn der Fokusabstand geändert wird) bei kürzeren Brennweiten minimiert werden, um zu vermeiden, dass zum Beispiel eine Person von der Szene verschwindet, während der Fokus auf eine andere Person in einer unterschiedlichen Distanz zu der Linse geändert wird. Diese Fokusleistungserfordernisse einschließlich des Erhaltens der Qualität des Endbildes neigen dazu, das Gewicht und die Kosten des Zoomobjektivsystems wesentlich zu steigern, es sei denn, dass die Größe minimiert und die Leistung durch den gesamten Objektivaufbau einschließlich der Auswahl des Glases maximiert werden kann.
  • Hintergrundinformation betreffend das Zoomen.
  • Wie oben diskutiert, sind Zoomobjektivsysteme mit einem breiten Bereich von Brennweiten in zahlreichen photographischen Anwendungen einschließlich Fernsehübertragung, Kinematographie und Video und Standphotographie sehr erwünscht. Ein Standardzoomobjektivsystem, das in diesen Anwendungen verwendet wird, weist eine Vier-Gruppen PN(P oder N)P-Struktur auf, wo P für eine Gruppe aus mindestens einem Linsenelement steht, wobei die Linsengruppe eine positive Brechkraft aufweist, N für eine Gruppe aus mindestens einem Linsenelement steht, wobei die Linsengruppe eine negative Brechkraft aufweist, und die Gruppen werden nacheinander von dem Gegenstandsbereich zu dem Bildbereich in üblicher Weise identifiziert. Die vordere positive Gruppe wird oft die Fokussierungsgruppe genannt, weil sie zum Scharfstellen des Zoomobjektivsystems bei irgendeiner Brennweitenposition bewegt werden kann, ohne den Bedarf, irgendeine andere Brennweite des Zoomobjektivs erneut einzustellen. Die zweite negative Gruppe ist der Variator und er bewirkt während des Zoomens eine erhebliche Veränderung der Vergrößerung. Die dritte Gruppe, welche im Allgemeinen entweder positive oder negative Brechkraft aufweisen kann, ist der Kompensator, und sie ist bewegbar, um sicher zu stellen, dass die Bildebene feststehend bleibt. Sie kann auch für etwas von der Änderung der Vergrößerung sorgen, um das Zoomen zu bewirken. Die letzte positive vierte Gruppe wird oft die erste Linsengruppe genannt, weil sie ein scharfes Bild erzeugt.
  • Dieses grundlegende Zoomobjektivsystem ist für Zoomverhältnisse von 50:1 oder sogar mehr geeignet. Wenn das Zoomverhältnis auf ungefähr 100:1 erweitert wird, ist jedoch erforderlich, dass der Variator während des Zoomens seine Gegenstandsvergrößerung in einem solchen Ausmaß ändert, dass die Abbildungsfehler unzweckmäßig groß und schwer zu korrigieren werden. Ferner tritt bei derart großen Zoomverhältnissen während des Zoomens eine sehr große Änderung des Ortes der Eingangspupille auf und dies tendiert dazu, dass die vordere Gruppe sehr groß und schwer zu korrigieren gemacht wird. Ein anderes Problem stammt von der Tatsache, dass es wünschenswert ist, dass der Variator eine verringerte optische Brechkraft aufweist, um die Änderung des Abbildungsfehlers, der sich aus einer starken Änderung der Vergrößerung ergibt, zu reduzieren. Eine geringere optische Brechkraft erhöht jedoch auch den Linsenweg und die Länge des optischen Systems. Für ein enges Sichtfeld wäre dies kein Problem, aber für ein breites Sichtfeld führen starke Bewegungen zu einem Anstieg der Hauptstrahlhöhen in dem rückwärtigen Bereich des Linsensystems. Da die Anforderungen entweder für die Vorderseite oder die Rückseite des Linsensystems erfüllt werden können, aber nicht gleichzeitig, ergibt dies keine ideale Stelle für die Öffnungsblende. Wenn die Blende nahe der Vorderseite des Objektivs angeordnet wird, werden die Durchmesser des vorderen Linsenelements und die sich ergebenden Abbildungsfehler reduziert und wenn die Öffnungsblende näher bei der Rückseite des Linsensystems angeordnet wird, werden die hinteren Linsendurchmesser und die sich ergebenden Abbildungsfehler vermindert.
  • US 3,970,366 offenbart ein Zoomobjektivsystem mit einer hochvariablen Vergrößerung, bei dem ein erstes Zoomobjektiv von der Gegenstandsseite her angekoppelt ist und dann ein zweites Zoomobjektiv hinter dem ersten Zoomobjektiv angekoppelt ist. Darin ist eine erste Membran zwischen dem ersten Zoomobjektiv und dem zweiten Zoomobjektiv zum Bestimmen der relativen Apertur des gesamten Zoomobjektivsystems bereitgestellt.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Allgemeine Zusammenfassung der Erfindung.
  • Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Zoomobjektivsystem bereitzustellen, dass die Probleme und Leistungsschwächen der früheren Zoomobjektivsysteme, die große Zoomverhältnisse aufweisen, überwindet. Ein weiteres Ziel ist es, ein Zoomobjektivsystem mit einem breiten Zoombereich von Brennweiten und Hochleistungsmerkmalen sowohl für die Verwendung in Räumen als auch draußen bereitzustellen. Noch ein weiteres Ziel dieser Erfindung besteht darin, ein Zoomobjektivsystem mit einem Verhältnis von ungefähr 300:1 und einem Zoombereich von z.B. ungefähr 7mm bis 2100mm Brennweite mit kontinuierlichem Zoomen zwischen den Brennweiten bereitzustellen. Noch ein anderes Ziel dieser Erfindung besteht darin, ein Hochleistungszoomobjektivsystem mit einem optischen System bereitzustellen, dass eine vordere Zoomobjektivgruppe zum Erzeugen eines Zwischenbildes und eine hintere Zoomobjektivgruppe aufweist, um dieses Bild zu vergrößern, um dadurch ein extrem großes Zoomverhältnis zu erzeugen. Noch ein anderes Ziel besteht darin, ein solches Zoomobjektivsystem mit einer optischen Bildstabilisierung bereitzustellen. Es ist noch ein anderes Ziel, ein solches Zoomobjektivsystem mit einer Fokussierungsobjektivgruppe bereitzustellen, die dazu fähig ist, über den gesamten Brennweitenbereich des Zoomverhältnisses zu fokussieren.
  • Trotz des besonderen Nutzens für das Erreichen großer Zoomverhältnisse, können die Zoomobjektivsysteme der Erfindung herkömmliche Zoomverhältnisse wie z.B. Zoomverhältnisse aufweisen, die zu solchen Konsumentenprodukten wie Videokameras, Standkameras und dergleichen zugehörig sind. Es ist ein zusätzliches Ziel der Erfindung, Zoomobjektivsysteme für diese Anwendungen mit kleineren Zoomverhältnissen herzustellen.
  • Andere und detailliertere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden leichter für Fachleute anhand der verschiedenen bevorzugten Ausführungsbeispiele deutlich.
  • Zusammenfassung der Zoomverhältnismerkmale der Erfindung.
  • Die vorliegende Erfindung überwindet die Hindernisse, die gegenwärtig Zoomobjektivsysteme auf ein Zoomverhältnis von ungefähr 101:1 beschränken. Die Grundidee der Erfindung kann in der Verwendung eines zusammengesetzten Zoomobjektivsystems gesehen werden, das aus zwei getrennten Zoomobjektivbereichen besteht, wobei der vordere Zoomobjektivbereich ein Zwischenbild erzeugt, und der hintere Zoomobjektivbereich ein Relais ist, das das Zwischenbild, das durch den vorderen Zoomobjektivbereich erzeugt wurde, zu dem Endbild überträgt. Das gesamte Zoomverhältnis des vollständigen zusammengesetzten Zoomobjektivsystems ist gleich dem Zoomverhältnis des vorderen Zoomobjektivs multipliziert mit dem Zoomverhältnis des Relais. Somit ist dann das Zoomverhältnis des gesamten zusammengesetzten Zoomobjektivsystems 300:1, wenn das Zoomverhältnis des vorderen Zoomobjektivbereichs 20:1 und das Zoomverhältnis des Relais 15:1 ist. Die vorliegende Erfindung kann angewendet werden, um ein Zoomverhältnis von 300:1 oder mehr zu erreichen, welches die praktische Beschränkung von herkömmlichen Zoomobjektivsystemen weit überschreitet.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die 1 bis 5 sind optische Diagramme von zusammengesetzten Zoomobjektivsystemen der vorliegenden Erfindung zum Beschreiben einiger der Prinzipien und Änderungen in den beweglichen und festen Einheiten, die in dem System verwendet werden, und einiger der möglichen Ausführungsbeispiele der Erfindung, wobei die 1 bis 3 ein System mit einem Zoomverhältnis von ungefähr 300:1 darstellen, die 4A und 4B ein Zoomverhältnis von ungefähr 130:1 aufweisen und die 5A und 5B ein Zoomverhältnis von ungefähr 13:1 in einem Ultraweitwinkelobjektivsystem aufweisen;
  • die 6A und 6B sind optische Diagramme eines anderen Ausführungsbeispiels des Zoomobjektivsystems der vorliegenden Erfindung, das drei bewegliche Zoomobjektivgruppen verwendet, wobei die drei Zoomgruppen in 6A für eine kurze Brennweite positioniert sind und in 6B für eine lange Brennweite positioniert sind;
  • die 7A und 7B sind optische Diagramme eines anderen Ausführungsbeispiels des Zoomobjektivsystems der vorliegenden Erfindung, das vier bewegliche Zoomobjektivgruppen verwendet, wobei die vier Zoomgruppen in 7A für eine kurze Brennweite und in 7B für eine lange Brennweite positioniert sind;
  • die 8A und 8B sind optische Diagramme eines anderen Ausführungsbeispiels des Zoomobjektivsystems der vorliegenden Erfindung, das vier bewegliche Zoomobjektivgruppen verwendet, wobei die vier Zoomgruppen in 8A für eine kurze Brennweite positioniert sind und in 8B für eine lange Brennweite positioniert sind;
  • die 9A und 9B sind optische Diagramme eines anderen Ausführungsbeispiels des Zoomobjektivsystems der vorliegenden Erfindung, das drei bewegliche Zoomobjektivgruppen verwendet, wobei die drei Zoomgruppen in 9A für eine kurze Brennweite und in 9B für eine lange Brennweite positioniert sind;
  • die 10 bis 62 sind Figuren, die alle ein einziges Ausführungsbeispiel des Zoomobjektivsystems der vorliegenden Erfindung betreffen, das ein Zoomverhältnis von ungefähr 300:1 aufweist, wobei 10 ein optisches Diagram des gesamten Objektivsystems ist, die 11 bis 30 optische Diagramme des Objektivsystems in zwanzig verschiedenen repräsentativen Positionen der bewegbaren Linsenelemente aufweisen, die 31 bis 34 optische Diagramme von nur den Linsenelementen der Fokussierungseinheit in vier der repräsentativen Positionen aufweisen, die 35 und 36 nur die vorderen zwei Zoomobjektivgruppen in zwei der repräsentativen Positionen darstellen, die 37 und 38 nur die hinteren Zoomobjektivgruppen in zwei der repräsentativen Positionen darstellen, die 39 bis 58 jeweils Strahlen- Aberrationsdiagramme für die gleichen zwanzig repräsentativen Positionen all der Linsenelemente, die in den 11 bis 30 dargestellt sind, aufweisen, 59 ein Schaubild der Fokuskurvenbewegung relativ zu den Fokusabständen von dem Minimum (unten) bis unendlich (oben) aufweist, 60 Schaubilder der drei Zoomkurvenbewegungen relativ zu den Systembrennweiten aufweist, 61 ein Schaubild der "f" Zahlen des Systems bei dem Endbild relativ zu den Systembrennweiten aufweist und 62 ein Schaubild der Blendendurchmesser relativ zu den Systembrennweiten aufweist;
  • die 63 und 64 sind ein optisches Diagramm bzw. Strahlenaberrationsschaubilder für ein anderes Ausführungsbeispiel des Zoomobjektivsystems dieser Erfindung, das eine binäre (beugende) Fläche aufweist;
  • die 65 und 66 sind ein optisches Diagramm bzw. Strahlenaberrationsschaubilder für noch ein anderes Ausführungsbeispiel des Zoomobjektivsystems dieser Erfindung, das eine binäre (beugende) Fläche aufweist; und die 67 bis 70 sind Figuren, die noch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung betreffen, das ein Zoomverhältnis von ungefähr 400:1 aufweist, wobei die 67 und 68 optische Diagramme bei Brennweiten von 7,47mm bzw. 2983mm sind und die 69 und 70 Strahlenaberrationsschaubilder mit Brennweiten von 7,47mm bzw. 2983mm sind;
  • die 71 und 72A bis 72D sind optische Diagramme für ein Beispiel noch eines anderen Ausführungsbeispiels des Zoomobjektivsystems dieser Erfindung, das einen Spiegel zum Falten des Objektivs für eine zusätzliche Kompaktheit aufweist, wobei die 72A bis 72D das gefaltete Objektiv der Klarheit halber in einer flachen (nicht gefalteten) Orientierung zeigen und verschiedene Positionen der Zoomgruppen darstellen;
  • die 73A bis 73C sind optische Diagramme für ein Beispiel eines Infrarot-(IR) Ausführungsbeispiels des Zoomobjektivsystems dieser Erfindung, die verschiedene Positionen der Zoomgruppen darstellen; und die 74 bis 76 sind Strahlenaberrationsschaubilder, die der jeweiligen Position der Zoomgruppen entsprechen, die in den 73A bis 73C gezeigt sind.
  • Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
  • In der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele wird Bezug auf die begleitenden Zeichnungen genommen, welche einen Teil hiervon bilden und in welchen in veranschaulichender Weise spezielle Ausführungsbeispiele gezeigt werden, in denen die Erfindung praktiziert werden kann. Es ist zu verstehen, dass andere Ausführungsbeispiele angewendet werden können und strukturelle Änderungen ohne Abweichung von dem Bereich der bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können.
  • Gemäß ihren allgemeinen Aspekten stellt die Erfindung ein Zoomobjektivsystem zum Bilden eines Endbildes eines Gegenstandes bereit, wobei das System ein erstes reales Zwischenbild zwischen dem Gegenstand und dem Endbild erzeugt, wobei das System aufweist:
    • (a) eine erste optische Einheit (z.B. Linsenelemente 8 bis 15 in 10), die zwischen dem Gegenstand und dem ersten realen Zwischenbild angeordnet ist, wobei die Einheit mindestens eine optische Untereinheit aufweist, welche bewegt wird, um die Größe (Vergrößerung) des ersten realen Zwischenbildes zu ändern (z.B. sind die Linsenelemente 8 bis 11 die primäre Ursache der Änderung der Vergrößerung für die erste optische Einheit in 10); und
    • (b) eine zweite optische Einheit (z.B. die Linsenelemente 26 bis 33 in 10), die zwischen dem ersten realen Zwischenbild und dem Endbild angeordnet ist, wobei mindestens ein Abschnitt davon (z.B. eine oder mehrere optische Untereinheiten oder die gesamte zweite optische Einheit) bewegt wird, um die Größe (Vergrößerung) des Endbildes zu ändern (z.B. werden in 10 die Linsenelemente 26 bis 28 der zweiten optischen Einheit bewegt, um die Größe des Endbildes zu ändern).
  • Bevorzugt weist das Zoomobjektivsystem eine oder mehrere Untereinheiten in entweder einer oder beiden der ersten und zweiten optischen Einheit auf, welche bewegt werden, um die Achsenposition des Endbildes im Wesentlichen stationär zu halten, wenn die Brennweite des Systems geändert wird (z.B. sind die Linsenelemente 12 bis 15 die primäre Ursache dieser Funktion in 10). Solch eine Untereinheit braucht jedoch nicht in allen Fällen benötigt werden, zum Beispiel, wenn das gesamte optische System einen axial bewegbaren Sensor aufweist.
  • Bevorzugt weist das Zoomobjektivsystem zusätzlich zu der ersten und der zweiten optischen Einheit eine Fokuseinheit (z.B. die Linsenelemente 1 bis 7 in 10), eine Pupillenabbildungseinheit (z.B. die Linsenelemente 16 bis 25 in 10) und/oder eine Bildstabilisierungseinheit (z.B. die Linsenelemente 34 bis 39 in 10) auf.
  • Bevorzugt ist die Fokuseinheit (1) vor der ersten optischen Einheit positioniert, (2) weist zwei optische Einheiten auf, die längs der optischen Achse des Zoomobjektivsystems positioniert sind (z.B. das Linsenelement 2 und die Elemente 3 und 4 in 10) und/oder (3) weist sieben oder weniger Linsenelemente auf.
  • Bevorzugt weist die Bildstabilisierungseinheit (1) mindestens ein Linsenelement auf, das lateral aus der optischen Achse des Systems bewegbar ist (z.B. die Linsenelemente 34 bis 36 in 10) und/oder (2) mindestens ein Linsenelement, das längs der optischen Achse bewegbar ist (z.B. die Linsenelemente 37 bis 39 in 10). Das Licht, das durch das System hindurchläuft, wird bevorzugt im Wesentlichen zwischen den lateral und axial bewegbaren Linsenelementen der Bildstabilisierungseinheit parallel gerichtet.
  • Zusätzlich zu dem ersten realen Zwischenbild können die Zoomobjektivsysteme der Erfindung zusätzliche reale Zwischenbilder zwischen dem Gegenstand und dem Endbild erzeugen. Die Systeme können zusätzliche optische Einheiten neben der ersten und der zweiten Einheit zum Ändern der Größe (Vergrößerung) dieser zusätzlichen realen Zwischenbilder aufweisen.
  • Das erste reale Zwischenbild wird bevorzugt in einem Luftraum zwischen den optischen Elementen des Zoomobjektivsystems (z.B. den Linsenelementen, Prismen, Faltspiegeln oder dergleichen, die in dem System verwendet werden) erzeugt und passiert während des Zoomens keine Fläche eines optischen Elements. Wenn mehr als ein reales Zwischenbild erzeugt wird, ist dies auch bevorzugt wahr für all die Zwischenbilder.
  • Die erste optische Einheit kann in Verbindung mit anderen Einheiten des Systems die Form eines herkömmlichen Zoomobjektivs aufweisen. Genauso kann die zweite optische Einheit in Verbindung mit anderen Einheiten des Systems eine herkömmliche Zoomobjektivform aufweisen. Das Gesamtsystem kann somit als eine "Verbindung" der zwei herkömmlichen Zoomobjektive mit, gemäß der Erfindung, einer Steuerung der Pupillenabbildung zwischen den zusammengesetzten Zoomobjektiven gesehen werden.
  • Das gesamte System kann auch als ein vorderes Zoomobjektiv gesehen werden, das ein Zwischenbild erzeugt, und als ein Relaissystem gesehen werden, welches das Zwischenbild empfängt und seine Vergrößerung ändert, um das Endbild zu erzeugen.
  • Diese Herangehensweisen für das Beschreiben der Zoomobjektivsysteme der Erfindung werden hierin in den ausführlichen Diskussionen der verschiedenen Aspekte der Erfindung verwendet. Obwohl diese Herangehensweisen eine geeignete Art des Beschreibens der Erfindung bereitstellen, ist es selbstverständlich, dass die Erfindung nicht beschränkt auf diese Beschreibungen ist und verschiedene Ausführungsbeispiele und Anwendungen der Erfindung solchen Beschreibungen nicht vollständig zugänglich sein mögen.
  • Gemäß anderen Aspekten stellt die Erfindung ein Zoomobjektivsystem zum Erzeugen eines Endbildes eines Gegenstandes bereit, wobei das System einen Bereich von Brennweiten zwischen einer maximalen Brennweite und einer minimalen Brennweite aufweist und mindestens ein erstes reales Zwischenbild zwischen dem Gegenstand und dem Endbild für alle Brennweiten innerhalb des Bereiches erzeugt, wobei das System aufweist:
    • (a) eine erste Linseneinheit, die eine Brennweite aufweist, die geändert wird, um die Größe (Vergrößerung) des ersten realen Zwischenbildes zu ändern, wobei die erste Linseneinheit zwischen dem Gegenstand und dem ersten realen Zwischenbild für alle Brennweiten innerhalb des Bereichs angeordnet ist; und
    • (b) eine zweite Linseneinheit zum Ändern der Größe (Vergrößerung) des Endbildes, wobei die zweite Linseneinheit zwischen dem ersten realen Zwischenbild und dem Endbild für alle Brennweiten innerhalb des Bereichs angeordnet ist.
  • Gemäß zusätzlichen Aspekten stellt die Erfindung ein Zoomobjektivsystem bereit, welches eine vordere Linseneinheit mit einer variablen Brennweite, welche ein reales Zwischenbild erzeugt, und eine hintere Linseneinheit mit einer variablen Vergrößerung aufweist, welche ein Bild (bevorzugt ein reales Bild) des Zwischenbildes erzeugt.
  • Gemäß weiteren Aspekten stellt die Erfindung ein zusammengesetztes Zoomobjektivsystem bereit, das Strahlung von einem Gegenstandsraum sammelt und die Strahlung an ein Endbild in einem Bildabstand liefert, wobei das System mehrere Zoomobjektivbereiche, die einen ersten Zoomobjektivbereich aufweisen, der ein Zwischenbild der Strahlung von dem Gegenstandsraum erzeugt, und einen letzten Zoomobjektivbereich aufweist, der das Endbild in dem Bildabstand erzeugt.
  • Gemäß noch weiterer Aspekte stellt die Erfindung ein Zoomobjektivsystem zum Erzeugen eines Endbildes eines Gegenstandes bereit, wobei das System eine optische Achse, eine vordere Linsenfläche, eine Öffnungsblende und einen Hauptstrahl aufweist, welcher die optische Achse bei der Öffnungsblende kreuzt, wobei das System eine erste und eine zweite Objektiveinheit aufweist, die bewegt werden, um die Brennweite des Systems zu ändern, wobei:
    • (a) der Hauptstrahl zwischen der vorderen Linsenfläche und dem Endbild die optische Achse bei mindestens einer anderen Position außer der Öffnungsblende für alle Brennweiten des Systems kreuzt; und
    • (b) das System ein reales Zwischenbild erzeugt, das zwischen der ersten und der zweiten Linseneinheit für alle Brennweiten des Systems angeordnet ist.
  • Beschreibung einiger Zoomprinzipien und Systeme der Erfindung.
  • Es gibt eine einzigartige Merkmale eines zusammengesetzten Zoomobjektivsystems (d.h. eines Front- Zoom/Zoomrelaissystems), das einen außergewöhnlich hohen Grad der zu erreichenden optischen Korrektur ermöglicht. Man stelle sich für einen Moment ein vereinfachtes Szenario vor, in dem die vollständige Zoombewegung in Stufen stattfindet. In der ersten Stufe wird das Relais anfangs bei einer Position einer kurzen Brennweite eingestellt, die eine kleine Vergrößerung des Zwischenbildes liefert. Die Objekt-Konjugierte des Relais weist dann eine kleine numerische Apertur NA auf und seine Bildkonjugierte weist eine große numerische Apertur NA auf. (Wie herkömmlich definiert, ist die numerische Apertur "NA" gleich dem Sinus des Spitzenwinkels des größten Kegels der meridionalen Strahlen, die in ein optisches System oder Element einfallen oder es verlassen können, multipliziert mit dem Brechungsindex des Mediums, in dem die Spitze des Kegels angeordnet ist; und in den optischen Vorschriften der Linsensysteme, die unten dargestellt sind, entspricht die "f" Zahl der Inversen der zweifachen NA, d.h. f = 1/2 × NA). Da die NA in dem Gegenstandsraum für das Relais gleich der NA in dem Bildraum für den vorderen Zoomobjektivbereich ist, ist dann klar, dass in dieser ersten Stufe der vordere Zoomobjektivbereich nur für eine kleine NA gut korrigiert werden braucht.
  • In der zweiten Stufe ist der vordere Zoomobjektivbereich fest stehend bei seiner Position der langen Brennweite und das Relais zoomt dann, um das Zwischenbild auf ein immer größeres Ausmaß zu vergrößern. Wenn die Brennweite des Systems während dieser zweiten Stufe erhöht wird, wird die Bild-NA des Relais kleiner und die Gegenstands-NA des Relais wird größer. Daher muss die Bild-NA des vorderen Zoomobjektivbereichs auch größer werden. Jedoch wird zu der gleichen Zeit der radiale Teil des Zwischenbildes, der tatsächlich verwendet wird, immer kleiner, da die Brennweite des Systems größer wird.
  • Somit braucht der vordere Zoomobjektivbereich nicht gleichzeitig für eine große Zwischenbildgröße und eine große relative Apertur (NA) korrigiert werden. Vielmehr muss er für eine große Zwischenbildgröße bei einem kleinen Blendendurchmesser und für eine kleine Zwischenbildgröße bei einem großen Blendendurchmesser korrigiert werden. Dies macht den Aufbau des vorderen Zoomobjektivbereichs beträchtlich einfacher als den Aufbau eines herkömmlichen Zoomobjektivsystems, das das gleiche Zoomverhältnis wie das vordere Zoomobjektivsystem der vorliegenden Erfindung aufweist.
  • Ebenso braucht das Relais bei dem Ende der kleinen Vergrößerung seiner Brennweiten nur für eine große Bild-NA und eine große Gegenstandsgröße korrigiert werden. Bei dem anderen Ende seines Zoombereichs der Brennweiten ist die Gegenstandsgröße klein und die Bild-NA ist auch klein.
  • Wie oben erörtert, weist das Zoomobjektivsystem der Erfindung zusätzlich zu einem vorderen Zoomobjektivbereich und einem Relais bevorzugt auch eine Pupillenabbildungseinheit auf. Diese Einheit dient dazu, die Ausgangspupille des vorderen Zoomobjektivbereichs auf die Eingangspupille des Relais abzubilden. Durch Auswählen der geeigneten Brechkräfte, können nicht nur die Linsendurchmesser und die dazugehörigen Abbildungsfehler des Relais minimiert werden, sondern kann auch die Steuerung der Position der Ausgangspupille des Systems verbessert werden.
  • Wie auch oben erörtert wurde, ist das Zwischenbild, das durch den vorderen Zoomobjektivbereich erzeugt wird, bevorzugt an einer Position angeordnet, wo es nicht durch irgendeine Linsenfläche hindurch läuft, wenn das System von seiner minimalen zu seiner maximalen Brennweite gezoomt wird. Dadurch, dass es zwischen dem vorderen Zoomobjektivbereich und dem hinteren Relais ist, ist das Zwischenbild automatisch hinter der sich axial bewegenden Linseneinheit oder den Einheiten, die für das Zoomen in dem vorderen Zoomobjektivbereich sorgen und vor jeder sich axial bewegenden hinteren Linseneinheit, die für das Zoomen in dem hinteren Zoombereich sorgt. Da in bestimmten Ausführungsbeispielen der Erfindung sich das Zwischenbild während des Zoomens bewegen kann, werden die Stellen für die Linsenflächen auf jeder Seite des Zwischenbilds, ob diese Flächen fest sind oder sich bewegen, bevorzugt so ausgewählt, dass sie der Bewegung des Zwischenbildes nicht im Weg stehen wobei die Flächen von dem Zwischenbild in dem gesamten Zoombereich des Systems auf Abstand gehalten werden.
  • Verschiedene der vorangegangenen Merkmale der Erfindung werden in den 1 bis 3 für ein zusammengesetztes PNPP-PNPP Zoomobjektivsystem mit einem Zoomverhältnis von ungefähr 300:1 dargestellt. Wie in 1 gezeigt, weist dieses zusammengesetzte Zoomobjektivsystem einen vorderen Zoomobjektivbereich mit einem Zoomverhältnis von ungefähr 20:1 und einem hinteren Zoomobjektivbereich (Relais) mit einem Zoomverhältnis von ungefähr 15:1 auf. Die Gruppen und ihre positiven oder negativen Brechkraftvorzeichen werden in 1 auch angezeigt. In diesem zusammengesetzten Zoomobjektivsystem ist das Relais fest stehend, wenn der vordere Zoomobjektivbereich von der Position seiner kürzesten Brennweite (in 1 gezeigt) zu der Position seiner längsten Brennweite (in 2 gezeigt) betrieben wird. Erreicht der vordere Zoomobjektivbereich einmal die Position seiner langen Brennweite, beginnt das Relais, die Vergrößerung des Zwischenbildes zu ändern, um die Brennweite des zusammengesetzten Systems weiter zu erhöhen. 3 zeigt das System in dem Zustand seiner maximalen Brennweite, in dem der vordere Zoomobjektivbereich bei der Position seiner maximalen Brennweite ist und der hintere Zoom (Relais)Objektivbereich in der Position seiner maximalen Vergrößerung ist.
  • Die 1 und 2 zeigen die kleine NA bei der Zwischenbildebene und die große NA bei der Endbildebene, die während der Anfangsphase des Zoomens von kurz auf lang auftritt. Die Größe des Zwischenbildes ist während dieser Phase groß, wie in den Figuren gezeigt ist. 3 zeigt, dass die NA bei der Position der längsten Brennweite bei dem Zwischenbild größer und bei dem Endbild kleiner wird.
  • Es ist anzumerken, dass es in diesem Beispiel 8 Zoomobjektivgruppen gibt, aber nur vier von ihnen zum Zoomen unabhängig bewegbar sind. Die erste, die vierte, die fünfte und die achte Gruppe sind alle bezüglich des Endbildes fest stehend. Während des Einstellens der Entfernung kann jedoch eine oder mehrere dieser Gruppen dazu gebracht werden, sich zu bewegen.
  • Das hier skizzierte Szenario dient Erläuterungszwecken. In der Praxis braucht die Zoombewegung nicht klar in zwei Stufen getrennt werden und folglich kann sich das Relais oder ein Teil davon während der Anfangszoomstufen bewegen und nicht nur nahe dem langen Ende der Brennweiten.
  • Das Beispiel der 1 bis 3, das oben beschrieben wurde, weist eine PNPP-PNPP Konstruktion auf, in der der Strich "–" das Ende des vorderen Zoomobjektivbereichs anzeigt. Sowohl der vordere Zoomobjektivbereich als auch der hintere Zoomobjektivbereich weist Variator- und Kompensatorzoomgruppen auf. Ein Vorteil dieser Konfiguration besteht darin, dass das Zwischenbild absolut stationär gemacht werden kann, wenn es gewünscht wird. Das stationäre Wiedergeben des Bildes verhindert, dass es durch irgendeine optische Fläche hindurch läuft, die Oberflächenfehler und Staubbilder zeigen könnte, die bei dem Endbild erscheinen. Das Verwenden einer Vier-Gruppen-Konstruktion in dem hinteren Zoomobjektivbereich erlaubt auch das bessere Steuern der Ausgangspupillenposition, welche wichtig für das Anpassen an die Telezentrizitätsanforderungen bestimmter Bildsensoren sein kann.
  • Wenn die Bewegung des Zwischenbildes geduldet werden kann, dann ist es möglich, einen der Kompensatoren zu entfernen. Die Entfernung des hinteren Kompensators ist in diesem Fall bevorzugt, weil er sich nur bewegt, wenn die Strahldurchmesser relativ klein sind. Die sich ergebende Konstruktion ist dann eine PNPP-PNP Konfiguration.
  • Für beide dieser Konfigurationen muss dafür gesorgt werden, dass die Ausgangspupille des vorderen Zoomobjektivbereichs mit der Eingangspupille des Relais übereinstimmt. Zu diesem Zweck ist eine okular-artige Gruppe zum Wandeln der divergierenden Strahlen, die von dem Zwischenbild aus laufen, in ungefähr parallele Strahlen, die in ein normales PNP oder PNPP Zoomobjektivsystem eintreten, nützlich, das für unendliche Konjugierte korrigiert ist.
  • Ein Aspekt des Hochgeschwindigkeits-(großer Blendendurchmesser) Ultrabreit-Bereichs der Brennweiten der zusammengesetzten Zoomlinsensysteme dieser Art besteht darin, dass das Zwischenbild und alle seine Bildfehler durch die Zoomgruppen in dem Relais bei der Position der langen Brennweite stark vergrößert werden. Dies stellt hohe Anforderungen an die Korrektur der sekundären Farbfehler in dem vorderen Zoomobjektivbereich und insbesondere in der Fokussierungsgruppe. Um diese Korrektur zu erreichen, ist es notwendig, mindestens eines und eher mehrere Fluor-Kronglaselemente zu verwenden. Als Alternative können zu diesem Zweck auch Kalziumfluorid- oder binäre (beugende) Flächen verwendet werden.
  • Eine Vielzahl von binären (beugenden) Flächen (beugende Elemente) kann in der Praxis der Erfindung verwendet werden. Zum Beispiel können für bestimmte Anwendungen ein oder mehrere beugende optische Elemente des Typs, der in dem US-Patent Nr. 6,507,437 offenbart ist, das Canon zugeordnet ist, entweder allein oder in Kombination mit anderen Herangehensweisen zum Korrigieren von Farbfehlern verwendet werden.
  • Ein großer Vorteil des Verwendens einer PNPP-PNPP oder PNPP-PNP Konfiguration gegenüber bestehenden Zoomobjektivsystemen besteht darin, dass sowohl der vordere Zoomobjektivbereich als auch das hintere Zoomobjektivbereich(relais)system sehr große Zoomverhältnisse aufweisen kann. Es ist ziemlich vernünftig, in diesem Fall ein Zoomverhältnis von 20:1 oder mehr entweder für den vorderen Zoomobjektivbereich oder den hinteren Zoomobjektivbereich zu haben, so dass ein gesamtes Zoomverhältnis von 400:1 oder mehr möglich ist. Wenn jedoch ein solch großes Zoomverhältnis nicht benötigt wird, ist es möglich, das System beträchtlich zu vereinfachen, indem stattdessen ein Relais mit einer NP-Konfiguration verwendet wird, das zwei bewegbare Gruppen aufweist. Solch ein Relais ist sehr nützlich für Anwendungen mit großen Blendendurchmessern mit einem Gesamtzoomverhältnis in dem Relais von ungefähr 3:1 bis ungefähr 10:1. Ein Beispiel eines zusammengesetzten Zoomobjektivsystems mit einem Zoomverhältnis von ungefähr 130:1, das einen vorderen PNPP-Zoomobjektivbereich mit einem Zoomverhältnis von ungefähr 20:1 aufweist und ein Relais mit einem Zoomverhältnis von ungefähr 6,5:1 aufweist, ist in den 4A und 4B gezeigt. 4A stellt die minimale Brennweite von ungefähr 7mm dar und 4B stellt die maximale Brennweite von ungefähr 900mm dar. Ein Nachteil dieser Konfiguration besteht darin, dass die hinterste Objektivgruppe nicht fest stehend ist; daher muss sie so aufgebaut sein, dass sie einer beträchtlichen Änderung der Vergrößerung bei großen Blendendurchmessern standhält, was sie etwas schwierig im Aufbau macht.
  • Eine noch weiter vereinfachte Konstruktion, die aus einem vorderen NP-Zoomobjektivbereich und einem hinteren NP-Zoomobjektivbereich (Relais) besteht, kann auch konzipiert werden, obwohl das maximale Zoomverhältnis in diesem Fall verringert wird. Offensichtlich kann die Technik verallgemeinert werden, um eine große Zahl von Kombinationen von verschiedenen Zoomobjektivanordnungen für den vorderen Zoomobjektivbereich und für den hinteren Zoomobjektivbereich aufzuweisen. Zum Beispiel kann ein Ultraweitwinkel-Zoomobjektivsystem mit einem hohen Zoomverhältnis mittels eines vorderen NP-, NPP- oder NPNP-Ultraweitwinkel-Zoomobjektivbereichs konstruiert werden, der ein Zoomverhältnis von ungefähr 2:1 mit einem hinteren NP-Zoomobjektivbereich (Relais) aufweist, der ein Zoomverhältnis von ungefähr 6,5:1 aufweist. Das Ergebnis würde ein zusammengesetztes Zoomobjektivsystem mit einem Zoomverhältnis von ungefähr 13:1 mit einem maximalen vollen Sichtfeld von bis zu 100 Grad oder mehr sein. Die 5A und 5B stellen ein zusammengesetztes 4,4mm bis 57,2mm, f/3-f/7 Zoomobjektivsystem mit einem Zoomverhältnis von ungefähr 13:1 für einen 2/3'' Sensor dar. Der Vollfeldwinkel bei dem Weitwinkelende dieses zusammengesetzten Zoomobjektivsystems ist mehr als 102 Grad. Offensichtlich kann ein hinterer Zoomobjektivsystembereich (Relais) vom PNPP-Typ, der gleich dem einen ist, der in den 1 bis 3 verwendet wird, mit dem gleichen vorderen Ultraweitwinkel-Zoomobjektivbereich verwendet werden, um ein zusammengesetztes Ultraweitwinkel-Zoomobjektivsystem mit einem Zoomverhältnis von ungefähr 30:1 zu erzielen.
  • Die Existenz eines Zwischenbildes ist für alle diese Konfigurationen gemeinsam, und dies bietet einige einzigartige Möglichkeiten zur Korrektur von Abbildungsfehlern, die üblicherweise nicht bei Zoomobjektivsystemarten des Standes der Technik verfügbar sind. Zum Beispiel können asphärische Flächen, die bei Elementen nahe dem Zwischenbild angeordnet sind, einen starken Einfluss auf die Verzeichnung oder andere Feldabbildungsfehler haben, ohne die Korrektur der sphärischen Abbildungsfehler zu stören. Die Vorteile des Anordnens einer asphärischen Fläche in diesem Bereich beinhalten, dass die Toleranzen großzügig sind, weil die Strahldurchmesser klein sind und die Elemente selbst klein sind. Das bedeutet, dass die Kosten der Verwendung von asphärischen Flächen in diesem Bereich minimal sind.
  • Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele.
  • Wie oben in dem Abschnitt mit dem Titel "Beschreibung einiger Zoomprinzipien und Systeme der Erfindung" beschrieben, weist jedes der hierin offenbarten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung einen vorderen Zoomobjektivbereich und einen hinteren Zoomobjektivbereich auf, wodurch ein zusammengesetztes Zoomobjektivsystem gebildet wird. Es wird ein Zwischenbild nach dem vorderen Zoomobjektivbereich gebildet, wodurch der hintere Zoomobjektivbereich als ein Zoomrelais funktioniert, um das Zwischenbild so zu vergrößern, dass es das vergrößerte Endbild zum Aufnehmen durch einen Film oder andere Arten von Lichtdetektor oder Aufnahmevorrichtung erzeugt, wie zum Beispiel ein ladungsgekoppeltes Bauelement (CCD) in einer Kamera. Für Zwecke dieser Anwendung wird allgemein der Begriff "Kamera" verwendet, um jede Art von Licht detektierender oder aufnehmender Vorrichtung zu beschreiben, die hinter dem Linsensystem der vorliegenden Erfindung angeordnet werden kann, einschließlich einer Standbild-, Video- oder Filmaufnahmevorrichtung, egal ob sie einen Film, ein Videoband, eine optische Scheibe, ein CMOS, CCD oder ein anderes Speichermedium oder ein Okular oder das menschliche Auge enthält. Irgendeine solche "Kamera" kann zusätzliche Linsenelemente aufweisen. Gegenwärtig wird beabsichtigt, dass der vordere Zoomobjektivbereich zwei sich bewegende Zoomobjektivgruppen aufweist und der hintere Zoomobjektivbereich eine oder zwei sich bewegende Zoomobjektivgruppen aufweist, aber es ist selbstverständlich, dass mehr oder weniger sich bewegende Zoomobjektivgruppen ohne Abweichen von der vorliegenden Erfindung verwendet werden können. Es wird auch gegenwärtig beabsichtigt, dass nur ein Zwischenbild in dem gesamten zusammengesetzten Zoomobjektivsystem erzeugt wird, aber andere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können mehr als ein Zwischenbild erzeugen.
  • Zusätzlich zu den vorderen und hinteren Zoomobjektivbereichen weist das zusammengesetzte Zoomobjektivsystem der vorliegenden Erfindung bevorzugt eine Fokusobjektivgruppe auf. Es ist bevorzugt, dass die Fokusobjektivgruppe an der Vorderseite des Objektivsystems angeordnet ist, wie durch jedes der hierin offenbarten Ausführungsbeispiele gezeigt ist, obwohl es möglich ist, einiges und vielleicht alles von dem Einstellen der Entfernung an anderer Stelle in dem zusammengesetzten Zoomobjektivsystem in anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung durchzuführen.
  • Wenn in diesem zusammengesetzten Zoomobjektivsystem ein einziges Zwischenbild erzeugt wird, ist das Endbild höhenverkehrt und seitenverkehrt gegenüber der üblichen Orientierung, die durch eine Objektivlinse erzeugt wird, und daher muss die Bildorientierung durch die Kamera angepasst werden. Für eine Videokamera, die einen einzelnen Chip für den Detektor verwendet, ist es möglich, den Chip um 180 Grad um die optische Achse zu drehen, so dass der Chip das Endbild liest, als ob es wie üblich orientiert sei. Eine andere Lösung für das Orientierungsproblem für eine Videokamera besteht darin, die Reihenfolge, in der die Daten abgetastet werden, umzukehren, d.h. anstatt von links nach rechts und von oben nach unten können die Daten von rechts nach links und von unten nach oben gelesen werden, um die übliche Orientierung zu erreichen. Noch eine andere Lösung für das Orientierungsproblem für eine Videokamera, die eine "Einzelbildspeicher" Einrichtung verwendet, um ein ganzes Einzelbild auf einem Speicherchip zu speichern, bevor es zur Anwendung übertragen wird, besteht darin, das gespeicherte Einzelbild von dem Einzelbildspeicher bloß in der umgekehrten Reihenfolge zu übertragen. Bei einer Kinofilmkamera kann die gesamte Kamera mit dem Filmmagazin auf den Kopf gestellt werden, folglich läuft der Film zum Korrigieren der Bildorientierung nach oben. Eine andere Lösung für die Orientierung des Bildes in einer Kinofilmkamera, die auf herkömmliche Art verwendet wird und das vorliegende Zoomobjektivsystem einsetzt, besteht darin, digitales Zusammensetzen anzuwenden, wobei der Film digital abgetastet und dann zum Beispiel nach der digitalen Bearbeitung des Bildes auf einen neuen Film in der üblichen Orientierung aufgelegt wird. Die Verwendung eines Prismas in oder in Verbindung mit dem Objektivsystem dieser Erfindung korrigiert auch die Orientierung des Endbildes. Für diese Herangehensweise muss, insbesondere für Hochleistungsanwendungen des vorliegenden Objektivsystems, Sorge getragen werden, dass das Prisma keine übermäßige Verschlechterung der Qualität des Endbildes bewirkt.
  • Aufgrund der zusammengesetzten Zoomanordnung des Zoomobjektivsystems der vorliegenden Erfindung besitzt der Körper des zusammengesetzten Objektivsystems oft eine beträchtliche Länge und daher kann irgendeine Auslenkung oder Schwingung des Objektivsystems relativ zu der Kamera eine inakzeptable Auslenkung oder Schwingung des Endbildes in der Kamera bewirken. Somit wird zumindest für zusammengesetzte Zoomobjektivsysteme der vorliegenden Erfindung, die große Zoomverhältnisse, lange Brennweiten und/oder eine beträchtliche Länge aufweisen, erwogen, dass eine Bildstabilisierungsanordnung eingesetzt wird. Während eine elektronische Bildstabilisierung für einige Videokameraanwendungen geeignet sein kann, ist es für Anwendungen mit Zoomobjektivsystemen mit höherer Leistung bevorzugt, dass eine optische Bildstabilisierungsanordnung in den Körper des zusammengesetzten Zoomobjektivsystems und bevorzugt nahe dem Kamera-Ende des Objektivsystems eingefügt wird, wie es das Ausführungsbeispiel der 10 bis 62, die unten beschrieben werden, aufweist.
  • Obwohl es wünschenswerter ist, das zusammengesetzte Zoomobjektivsystem dieser Erfindung als integrierte Einheit für maximale Leistung zu entwerfen und zu konstruieren, ist es auch möglich, zwei oder mehrere getrennte Komponenten zu verwenden, um die Grundmerkmale zu erreichen. Zum Beispiel kann ein herkömmliches Zoomobjektivsystem oder eine modifizierte Form davon als der vordere Zoomobjektivbereich verwendet werden und dann kann der hintere Zoomobjektivbereich einen getrennten Aufsatz aufweisen, der die Vergrößerung des Bildes umschaltet und verändert (zum Beispiel zoomt), das durch den vorderen Zoomobjektivbereich erzeugt wird, welches Bild das "Zwischen" Bild wird, um das Endbild zu erzeugen. Somit liefert der vordere Zoomobjektivbereich ein Zoomverhältnis und der hintere Aufsatz-Zoomobjektivbereich liefert ein anderes Zoomverhältnis. Jedoch sollte für eine solche Kombination die Pupillenabbildung gesteuert werden, um ein Endbild mit einer akzeptablen optischen Qualität zu erhalten. Es können auch andere solche Kombinationen von herkömmlichen und/oder modifizierten Objektivbereichen verwendet werden, um das zusammengesetzte Zoomobjektivsystem der vorliegenden Erfindung zu verwenden.
  • Die 6A bis 9B stellen optische Diagramme für vier unterschiedliche Ausführungsbeispiele des Zoomobjektivsystems der vorliegenden Erfindung dar. Ganz rechts bei jeder der 6A bis 9B stellen die zwei rechteckigen Blöcke die Prismenblöcke für einen herkömmlichen 3 CCD 2/3''-Detektor dar, welcher ein Teil der Videokamera ist und daher kein Teil des Zoomobjektivsystems ist.
  • Die folgenden Tabellen listen die optischen Vorschriften des Linsensystems, die Positionen der veränderlichen Dicke für verschiedene Flächen und die Brennweiten und Vergrößerungen für verschiedene Flächengruppen für jedes dieser vier Ausführungsbeispiele auf. Der Einfachheit und der Klarheit halber sind hinsichtlich der großen Anzahl von Flächen und des kleine Maßstabs der optischen Diagramme, die alle Elemente aufweisen, nur einige der Flächen in den 6A bis 9B gekennzeichnet, die den Flächen entsprechen, die in den optischen Vorschriften für das Linsensystem dargestellt sind. Eine ausführlichere Erläuterung der Tabellen wird im Anschluss an die Tabellen geliefert. Tabellen für die Figuren 6A & 6B Optische Vorschrift für das Linsensystem
    Figure 00270001
    Figure 00280001
    • Anmerkung: maximaler Bilddurchmesser = 11,0mm
    • * Die Flächenprofile der asphärischen Flächen S11, S14, S28, S42 und S50 werden durch die folgende übliche Gleichung bestimmt:
    Figure 00280002
    wobei:
    KRM
    = 1/(Radius der Fläche)
    Y
    = Blendenhöhe, senkrecht zu der optischen Achse gemessen
    K, A, B, C, D
    = Koeffizienten
    Z
    = Position des Flächenprofils für einen gegebenen Y-Wert, gemessen längs der optischen Achse von dem Pol (d.h. dem axialen Scheitel) der Fläche
    Figure 00280003
    Flächenvergrößerungen
    Figure 00290001
  • Wobei P1M' die Linsengruppenvergrößerung der Linsengruppe ist, welche gleich (Winkel des einfallenden Randstrahls)/(Winkel des ausfallenden Randstrahls) ist, und, P1MP' die Linsengruppenvergrößerung ist, die gleich dem Winkel des einfallenden Hauptstrahls/Winkel des ausfallenden Hauptstrahls ist usw., bis zu P9M' und P8MP', wobei die ersten zwei Zeichen die Positionszahl darstellen, z.B. stehen P1M' und P1MP' für Position 1. abellen für die Figuren 7A & 7B Optische Vorschrift für das Linsensystem
    Figure 00300001
    Figure 00310001
    • Anmerkung: maximaler Bilddurchmesser = 11,0mm
    • * Die Flächenprofile der asphärischen Flächen S13, S16, S19, S20, S30, S47, S54 und S70 werden durch die folgende übliche Gleichung bestimmt:
    Figure 00310002
    wobei:
    KRM
    = 1/(Radius der Fläche)
    Y
    = Blendenhöhe, senkrecht zu der optischen Achse gemessen
    K, A, B, C, D, E, F, G
    = Koeffizienten
    Z
    = Position des Flächenprofils für einen gegebenen Y-Wert, gemessen längs der optischen Achse von dem Pol (d.h. dem axialen Scheitel) der Fläche
    Figure 00310003
    Figure 00320001
    Flächengruppenvergrößerungen
    Figure 00320002
  • Wobei P1M' die Linsengruppenvergrößerung der Linsengruppe ist, welche gleich (Winkel des einfallenden Randstrahls)/(Winkel des ausfallenden Randstrahls) ist, und, P1MP' die Linsengruppenvergrößerung ist, die gleich dem Winkel des einfallenden Hauptstrahls/Winkel des ausfallenden Hauptstrahls ist usw., bis zu P7M' und P7MP', wobei die ersten zwei Zeichen die Positionszahl darstellen, z.B. stehen P1M' und P1MP' für Position 1. Tabellen für die Figuren 8A & 8B Optische Vorschrift für das Linsensystem
    Figure 00330001
    Figure 00340001
    • Anmerkung: maximaler Bilddurchmesser = 11,0mm
    • * Die Flächenprofile der asphärischen Flächen S12 und S26 werden durch die folgende übliche Gleichung bestimmt:
    Figure 00340002
    wobei:
    KRM
    = 1/(Radius der Fläche)
    Y
    = Blendenhöhe, senkrecht zu der optischen Achse gemessen
    K, A, B, C, D
    = Koeffizienten
    Z
    = Position des Flächenprofils für einen gegebenen Y-Wert, gemessen längs der optischen Achse von dem Pol (d.h. dem axialen Schedel) der Fläche
  • Die Koeffizienten für die Fläche S12 sind:
    K = 0.0
    A = –1.3820532e – 007
    B = –2.7133115e – 011
    C = –9.2535195e – 015
    D = 3.3313103e – 018
  • Die Koeffizienten für die Fläche S26 sind:
    K = –0.5520119
    A = –1.0148386e – 006
    B = –5.9646048e – 011
    C = –1.3030573e – 013
    D = 3.2918363e – 016
  • Figure 00340003
  • Vergrößerungen der Flächengruppen
    Figure 00350001
  • Wobei P1M' die Linsengruppenvergrößerung der Linsengruppe ist, welche gleich (Winkel des einfallenden Randstrahls)/(Winkel des ausfallenden Randstrahls) ist, und, P1MP' die Linsengruppenvergrößerung ist, die gleich dem Winkel des einfallenden Hauptstrahls/Winkel des ausfallenden Hauptstrahls ist usw., bis zu P7M' und P7MP', wobei die ersten zwei Zeichen die Positionszahl darstellen, z.B. stehen P1M' und P1MP' für Position 1. Tabellen für die Figuren 9A & 9B Optische Vorschrift für das Linsensystem
    Figure 00360001
    Figure 00370001
    • Anmerkung: maximaler Bilddurchmesser = 11,0mm
    • * Die Flächenprofile der asphärischen Flächen S20 und S34 werden durch die folgende übliche Gleichung bestimmt:
    Figure 00370002
    wobei:
    KRM
    = 1/(Radius der Fläche)
    Y
    = Blendenhbhe, senkrecht zu der optischen Achse gemessen
    K, A, B, C, D
    = Koeffizienten
    Z
    = Position des Flächenprofils für einen gegebenen Y-Wert, gemessen längs der optischen Achse von dem Pol (d.h. dem axialen Scheitel) der Fläche
  • Die Koeffizienten für die Fläche S20 sind:
    K = –0.3254663
    A = –3.65160e – 007
    B = –1.14704e – 010
    C = –5.60564e – 014
    D = –5.86283e – 018
  • Die Koeffizienten für die Fläche S34 sind:
    K = 0.348034
    A = 1.350560e – 006
    B = 2.453070e – 009
    C = –2.820340e – 012
    D = 4.745430e – 015
    Figure 00380001
    Flächengruppen Brennweiten
    S2–S3 –379.209
    S4–S5 –597.975
    S6–S11 484.131
    S12–S18 229.394
    S2–S18 262.190
    S19–S25 –49.050
    S26–S32 79.931
    S33–S51 41.254
    S52–S57 –26.810
    S58–S79 70.920
    Vergrößerungen der Flächengruppen
    Figure 00390001
  • Wobei P1M' die Linsengruppenvergrößerung der Linsengruppe ist, welche gleich (Winkel des einfallenden Randstrahls)/(Winkel des ausfallenden Randstrahls) ist, und, P1MP' die Linsengruppenvergrößerung ist, die gleich dem Winkel des einfallenden Hauptstrahls/Winkel des ausfallenden Hauptstrahls ist usw., bis zu P17M' und P17MP', wobei die ersten zwei Zeichen die Positionszahl darstellen, z.B. stehen P1M' und P1MP' für Position 1
  • Die Gruppe der Elemente, die durch die Flächen 69 bis 73 definiert ist, wird in eine Richtung senkrecht zu der optischen Achse versetzt, um die Bildschwingung auszugleichen.
  • In den optischen Vorschriften des Linsensystems, die oben für jedes der vier Ausführungsbeispiele bereitgestellt sind, ist jede Fläche eines Linsenelements in der linken Spalte ("Fläche") gekennzeichnet, ist der Radius dieser Fläche in der zweiten Spalte ("Radius"), die Dicke auf der optischen Achse zwischen dieser Fläche und der nächsten Fläche, ob Glas oder Luft, in der dritten Spalte ("Dicke"), sind die Brechungsindizes der Glaslinsenelemente in der vierten Spalte ("Brechungsindex des Glases") dargestellt und sind die Dispersionswerte für die Linsenelemente ("Dispersion des Glases") in der fünften Spalte dargestellt. Die Flächennummern in der ersten Spalte "Fläche" repräsentieren die Flächen, die von links nach rechts in den Figuren auf herkömmliche Weise, nämlich von dem Gegenstandsraum zu dem Bildraum, nummeriert sind.
  • In der linken oder "Fläche" Spalte jeder oben bereitgestellten optischen Vorschrift der Linsensysteme ist der abzubildende Gegenstand (z.B. zu photographierende) als "Gegenstand" gekennzeichnet, die einstellbare Iris oder Blende wird als "Blende" gekennzeichnet und das Endbild wird als "Bild" gekennzeichnet. Die einstellbaren Abstände zwischen den Linsenelementen, wie zum Beispiel auf beiden Seiten von bewegbaren Zoomgruppen sind als "veränderlich" in der dritten oder der Dicke-Spalte der optischen Vorschrift des Linsensystems gekennzeichnet. Die EFL, die Radius- und die Dickenabmessungen sind in Millimetern angegeben, wobei die Dicke der Abstand nach dieser Fläche auf der optischen Achse ist. Wenn zwei Flächen von benachbarten Elementen den gleichen Radius haben und zusammenfallen, wie in einem Dublett oder Triplett, ist nur eine Fläche in der ersten oder "Fläche" Spalte gekennzeichnet.
  • Für jedes der vier Ausführungsbeispiele werden asphärische Koeffizienten für jede der asphärischen Flächen im Anschluss an die Tabelle der optischen Vorschriften bereitgestellt.
  • Zusätzlich werden für jedes der vier Ausführungsbeispiele Tabellen der Positionen bei veränderlichen Dicken für verschiedene Flächen in der optischen Vorschrift jedes Linsensystems bereitgestellt, welche die Positionen für verschiedene Flächen (entsprechend den Einträgen in der Flächenspalte der Tabellen der optischen Vorschriften) in dem Format "Px" kennzeichnen. Die effektive Brennweite (EFL = effective focal length) und die "f" Zahl (F-Zahl) werden ebenfalls für jede Position bereitgestellt.
  • Jetzt wird jedes der vier Ausführungsbeispiele der 6A bis 9B kurz beschrieben, um einige ihrer Unterschiede zu kennzeichnen. Das Ausführungsbeispiel der 6A und 6B hat einen effektiven Brennweitenbereich von ungefähr 7,25mm bis 900mm, welcher ein Zoomverhältnis von ungefähr 125:1 liefert, während drei bewegbare Zoomobjektivgruppen, nämlich Zoom 1, Zoom 2 und Zoom 3, mit einem Fokus aus einer Fokusobjektivgruppe an dem Gegenstandsraum-Ende des Objektivs verwendet werden. Die Zoom 3 Gruppe weist eigentlich zwei Gruppen von Elementen auf, die einen kleinen Bewegungsbereich zwischen den Flächen S47 und S48 haben (Vergleiche 6A und 6B). Das Ausführungsbeispiel der 7A und 7B weist einen effektiven Brennweitenbereich von ungefähr 7,27mm bis 2088mm, welcher ein Zoomverhältnis von ungefähr 287:1 liefert, mit vier bewegbaren Zoomobjektivgruppen (Zoom 1, 2, 3 und 4) und einer Fokusobjektivgruppe auf. Das Ausführungsbeispiel der 8A und 8B weist einen effektiven Brennweitenbereich von ungefähr 7,27mm bis 2095mm, was auch einen Zoombereich von ungefähr 287:1 liefert, mit vier bewegbaren Zoomobjektivgruppen und einer Fokusobjektivgruppe auf, welches sehr ähnlich zu der Leistung des Linsenausführungsbeispiels der 7A und 7B ist. Das Ausführungsbeispiel der 9A und 9B weist ebenfalls einen effektiven Brennweitenbereich von ungefähr 7,27mm bis 2092mm auf, was auch einen Zoombereich von ungefähr 287:1 liefert, aber es werden nur drei bewegliche Zoomobjektivgruppen verwendet. Jedes dieser vier Ausführungsbeispiele weist mehrere asphärische Flächen auf, wobei die Ausführungsbeispiele der 8A bis 8B und 9A bis 9B nur zwei solche Flächen aufweisen, während das Ausführungsbeispiel der 7A bis 7B acht solche Flächen aufweist, wie es in den optischen Vorschriften der Linsensysteme gezeigt ist. Das Ausführungsbeispiel der 9A und 9B weist auch optische Bildstabilisierungslinsenelemente nahe bei dem Kamera-Ende des Linsensystems auf, ähnlich zu denen, die das Ausführungsbeispiel der 10 bis 62 aufweist, welches unten beschrieben wird.
  • Detaillierte Beschreibung des Ausführungsbeispiels der 10 bis 62.
  • Wie oben in dem Abschnitt mit dem Titel "Kurze Beschreibung der Zeichnungen" bemerkt wurde, betreffen die 10 bis 62 alle ein einziges Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, das direkt und unmittelbar auf den Fernsehübertragungsmarkt anwendbar ist, obwohl andere Märkte auch verfügbar sind und verschiedene andere Ausführungsbeispiele und Modifikationen der Erfindung anwendbarer auf andere Märkte sein können. Dieses Ausführungsbeispiel des zusammengesetzten Zoomobjektivsystems dieser Erfindung weist einen Zoombereich von ungefähr 7mm bis 2100mm Brennweite auf, wodurch ein Zoomverhältnis von ungefähr 300:1 geliefert wird, was mehr als das Dreifache des gegenwärtig verfügbaren Zoomverhältnisses bei Fernsehübertragungs-Zoomobjektivsystemen ist. Insbesondere mit Bezug auf das optische Diagramm der 10 weist das Zoomobjektivsystem ZL eine Fokusobjektivgruppe FG, eine vordere Zoomgruppe FZG und eine hintere Zoomgruppe RZG auf. Für die Beschreibung dieses Ausführungsbeispiels wird die Blende des Linsensystems als ein Aufteiler zwischen der "Vorderseite" und der "Rückseite" des Objektivs verwendet. Was die Terminologie betrifft, die in "der Beschreibung von verschiedenen Merkmalen der Erfindung und der offenbarten Ausführungsbeispiele" verwendet wird, die oben dargelegt wurde, ist die Fokusobjektivgruppe FG die Fokuseinheit, ist die vordere Zoomgruppe FZG die erste optische Einheit und weist die hintere Zoomgruppe RZG eine Pupillenabbildungseinheit und eine Bildstabilisierungseinheit, ebenso wie die zweite optische Einheit auf.
  • Die Fokusgruppe FG weist sieben Linsenelemente 1 bis 7 mit dem vorderen Linsenelement 1 auf, das fest stehend ist, wodurch die Linse durch Befestigen und Abdichten des Elements 1 mit dem Linsenzylinder (nicht gezeigt) abgedichtet werden kann. Das Linsenelement 2 weist eine erste Fokusgruppe FG1 auf und die Linsenelemente 3 und 4 weisen eine zweite Fokusgruppe FG2 auf, wobei beide Gruppen zum Erreichen des gewünschten Fokus bei jeder Brennweite unabhängig bewegbar sind. Die Elemente 5 bis 7 der Fokusgruppe FG sind fest stehend.
  • Die vordere Zoomgruppe FZG weist eine erste Zoomgruppe ZG1, die die Linsenelemente 8 bis 11 aufweist, und eine zweite Zoomgruppe ZG2 auf, die die Linsenelemente 12 bis 15 aufweist, wobei beide dieser Zoomgruppen unabhängig bewegbar sind. Eine Iris oder Öffnungsblende "Blende" ist zwischen der zweiten Zoomgruppe ZG2 und einer ersten Gruppe RG1 angeordnet, die den vorderen Bereich der hinteren Zoomgruppe RZG bildet.
  • Die erste Gruppe RG1 weist die Linsenelemente 16 bis 25 auf, welche fest stehend bleiben. Das Zwischenbild wird zwischen den Linsenelementen 22 und 23 in der ersten Gruppe RG1 gebildet. Obwohl alle Linsenelemente 16 bis 25 dieser ersten Gruppe RG1 zu jeder Zeit fest stehend bleiben, bewegt sich das Zwischenbild längs der optischen Achse zwischen den Linsenelementen 22 und 23 bei den längeren Brennweiten, ohne eines dieser beiden Elemente während des Zoomens des Linsensystems zwischen der maximalen und der minimalen Brennweite zu berühren. Die nächste Linsengruppe der hinteren Zoomgruppe RZG ist eine dritte Zoomgruppe ZG3, die die Linsenelemente 26 bis 28 aufweist, die axial bewegbar sind. Die Nächste innerhalb der hinteren Zoomgruppe RZG ist eine zweite Gruppe RG2, die die Linsenelemente 29 bis 33 aufweist, welche feststehend sind. Die nächsten Elemente in der hinteren Zoomgruppe RZG weisen eine Stabilisierungsgruppe SG auf, die eine radiale Dezentralisierungsgruppe SG1 mit den Linsenelementen 34 bis 36 und eine axial einstellbare Gruppe SG2 mit den Linsenelementen 37 bis 39 aufweist. Die drei Zoomgruppen ZG1, ZG2 und ZG3 sind längs der optischen Achse zum Entwickeln des vollen Bereichs der Brennweiten von ungefähr 7mm bis 2100mm unabhängig bewegbar. Schließlich stellt 10 zwei Prismenblöcke 40 und 41 dar, obwohl sie nicht Teil des Zoomobjektivsystems an sich sind, die die herkömmlichen drei CCD 2/3''-Detektoren einer Videokamera zum Vervollständigen des optischen Diagramms von dem Gegenstandsraum zu dem Endbild nachahmen.
  • Die erste oder Dezentralisierungsstabilisierungsgruppe SG1 ist von der optischen Achse des Systems in irgendeiner Richtung um ungefähr 0,5mm oder mehr in Antwort auf wahrgenommene Vibrationen der Linse radial bewegbar, um das Endbild auf der Bildebene in einer stabilisierten Position zu halten. Das Wahrnehmen der Vibrationen und die Bewegung der Gruppe SG1 kann durch irgendwelche herkömmlichen Mittel, wie zum Beispiel einen Beschleunigungsmesser, einen Prozessor und einen Motor, der durch den Prozessor in einem Regelkreissystem auf kontinuierlicher Basis gesteuert wird, erreicht werden. Die zweite oder axiale Stabilisierungsgruppe SG2 ist für eine axiale Anpassung von ungefähr 1,25mm oder mehr in beiden Richtungen für die Einstellung der Schnittweite bewegbar. Die zweite Stabilisierungsgruppe SG2 kann für ein erweitertes Nahfokussieren bei kurzen Brennweiten der Linse auch um einen größeren Betrag axial vorwärts bewegt werden. Die Lichtstrahlen zwischen der ersten Stabilisierungsgruppe SG1 und der zweiten Stabilisierungsgruppe SG2, d.h. zwischen den Linsenelementen 36 und 37 werden im Wesentlichen parallelisiert, wodurch die Bewegungen dieser zwei Gruppen zum Erreichen der Stabilisierung, des Erweiterns der Naheinstellung und des Einstellens der Schnittweite keine signifikante Verschlechterung des Endbildes bewirken.
  • Die Dezentralisierungsstabilisierungsgruppe SG1 kann auch zum Erzeugen von Spezialeffekten verwendet werden durch Veranlassen der Linsengruppe SG1, sich radial in einem Schüttelmuster zu bewegen, um dadurch das Schütteln zu simulieren, das zum Beispiel durch ein Erdbeben, ein sich bewegendes Fahrzeug oder Explosionen in einem Kriegsfilm verursacht wird. Derartige Spezialeffekte können auch durch Bewegen der Linsengruppe SG2 in axialer Richtung in oszillierender Weise erzeugt werden, was das Bild leicht entfokussiert. Die Radialbewegung von SG1 kann auch mit einer axialen Bewegung von SG2 kombiniert werden, um einen unterschiedlichen Spezialeffekt zu erzeugen.
  • Der vollständige Linsenaufbau des Zoomobjektivsystems ZL für das Ausführungsbeispiel der 10 bis 62 wird unten in den Tabellen dargestellt, die allgemein mit "Tabellen für die 10 bis 62" betitelt sind. Die Tabelle für die optischen Vorschriften für das Linsensystem ist ähnlich zu den vorangegangenen Linsenvorschriften für die Zoomobjektive der 6A bis 9B. Eine ausführlichere Erläuterung der Tabellen wird in den folgenden Tabellen geliefert. Tabellen für die Figuren 10 bis 62 Optische Vorschriften für das Linsensystem
    Figure 00470001
    Figure 00480001
    • Anmerkung: maximaler Bilddurchmesser = 11,0mm
    • * Die Flächenprofile der asphärischen Flächen S20 and S34 werden durch die folgende übliche Gleichung bestimmt:
    Figure 00480002
    wobei:
    KRM
    =1/(Radius der Fläche)
    Y
    = Blendenhöhe, senkrecht zu der optischen Achse gemessen
    K, A, B, C, D
    = Koeffizienten
    Z
    = Position des Flächenprofils für einen gegebenen Y-Wert, gemessen längs der optischen Achse von dem Pol (d.h. dem axialen Scheitel) der Fläche
    Figure 00480003
    Figure 00490001
    Flächengruppen Brennweiten
    S2–S3 –349.648
    S4–S5 –581.962
    S6–S7 798.201
    S10–S11 1258.758
    S12–S13 672.072
    S14–S15 709.848
    S16–S17 646.676
    S19–S20 –64.565
    S21–S22 –526.211
    S23–S25 –554.999
    S26 –S27 135.208
    S28–S30 113230.702
    S31–S32 240.348
    S34–S35 –65.863
    S36–S37 144.623
    S38–S40 60.255
    S41–S43 –70.987
    S44–S45 58.010
    S46–S47 205.873
    S48–S49 52.593
    S50–S51 38.634
    S52–S53 –27.000
    S54–S55 –34.933
    S56–S57 –2495.053
    S58–S59 284.851
    S60–S61 167.476
    S62–S64 292.166
    S66–S67 97.878
    S69–S70 –90.217
    S71–S73 –72.295
    S75–S76 61.902
    S77–S79 1261.227
    S80–S81 unendlich
    S82–S83 unendlich
  • Die Tabelle für die optische Vorschrift des Linsensystems weist die "Auflistung" der Linsenspezifikation auf und listet jede Linsen "Fläche" in der linken Spalte numerisch auf, aber sie weist auch Pseudoflächen auf, die in dem Aufbau verwendet werden, wie zum Beispiele die Pseudoflächen S1, S8, S9, S18, S65, S74 und S84. Die zweite Spalte "Radius" listet den Radius der zugehörigen Flächen mit einem negativen Radius auf, der anzeigt, dass das Zentrum der Krümmung links ist. Die dritte Spalte "Dicke" listet die Dicke des Linsenelements oder den Abstand von dieser Fläche zu der nächsten Fläche auf der optischen Achse auf. Die vierte Spalte "Name des Glases" listet die Art des Glases auf und die fünfte Spalte "Hersteller" listet den Hersteller jedes Glasmaterials auf. Die fünfte Spalte "Halb-Apertur" liefert für jedes Linsenelement einen Messwert des halben Öffnungsdurchmessers.
  • In der linken Spalte bezeichnet die Beschriftung "Gegenstand" den Gegenstand, der abgebildet (zum Beispiel photographiert) werden soll, die Beschriftung "Blende" kennzeichnet die Blende und die Beschriftung "Bild" kennzeichnet das Endbild. Jede der Flächen wird durch eine Zahl identifiziert, der "S" vorausgeht, um die Flächen von den Zahlen zu unterscheiden, die die Linsenelemente identifizieren, die auf den folgenden Seiten dargestellt sind, die die 39 Glaslinsenelemente, die oben mit Bezug auf 10 beschrieben wurden, und die Prismen 40 und 41 des Detektors aufweisen.
  • Es ist anzumerken, dass jede der Dickenabmessungen, die in der dritten Spalte der Tabelle dargestellt sind, die die Flächen auflistet, die Elementdicke oder der Luftraum längs der optischen Achse für das Zoomobjektivsystem ZL ist, das auf die kürzeste Brennweite (7,39mm EFL) eingestellt ist und auf unendlich eingestellt ist. Die Lufträume neben den sich bewegenden Linsengruppen ändern sich offensichtlich für andere Brennweiten und Fokusabstände in der "Dicke".
  • Für jede asphärische Fläche werden asphärische Koeffizienten im Anschluss an die Tabelle der optischen Vorschriften bereitgestellt.
  • Die 11 bis 30 stellen zwanzig repräsentative Positionen für das Zoomobjektivsystem der 10 dar. Diese zwanzig Positionen werden in der folgenden Tabelle der Linsenpositionen aufgelistet: Tabelle des Linsenpositionen
    Figure 00520001
    • * Der Fokus-Abstand wird von der ersten brechenden Fläche des Zoomobjektivsystems zu dem Gegenstand gemessen.
    • # Die "F"-Zahl ist an dieser Position gleich 16,75.
  • Die zwanzig (20) Positionen wurden als repräsentativ für die extremen Positionen der Brennweite und des Fokusabstands ebenso wie Zwischenpositionen zum Nachweisen der repräsentativen Leistungen des Zoomobjektivsystems ZL der 10 ausgewählt. Mit anderen Worten liegt die Position 1 bei der minimalen achsenparallelen Brennweite (Weitwinkel) von ungefähr 7,4mm und ist auf unendlich eingestellt, wohingegen die Position 18 auf 2550mm (ungefähr acht Fuß) für dieselbe Brennweite fokussiert ist. Ebenso repräsentiert die Position 12 die längste achsenparallele Brennweite von ungefähr 2065mm bei unendlichem Fokus, wobei die Position 15 den Fokus bei 2550mm bei der gleichen achsenparallelen Brennweite darstellt. Die achsenparallele EFL in der ersten Spalte liegt bei unendlichem Fokus. Die "f" Zahlen werden bei jedem gegebenen Fokus und bei voller Blende angegeben. Die zwölf unterschiedlichen Brennweiten liefern repräsentative Brennweiten über den vollen Bereich des Zoomobjektivsystems ZL. Auch ist anzumerken, dass das tatsächliche Sichtfeld als Ergebnis der Verzeichnung und die verfügbare physikalische Überschreitung der Zoomgruppen über die Daten der optischen Vorschrift des Linsensystems hinaus, die unten dargestellt sind, einen offensichtlichen Brennweitenbereich von im Wesentlichen 7,0mm bis 2100mm, d.h. ein Zoomverhältnis von ungefähr 300:1 erzeugt, wobei die Verzeichnung primär die Reduktion der minimalen achsenparallelen EFL beeinflusst und die Überschreitung primär die Erhöhung der maximalen achsenparallelen EFL beeinflusst. Bei 2100mm EFL mit einem auf 8 Fuß eingestellten Fokus ist die Vergrößerung ungefähr 1,33:1,00 (Gegenstandsgröße zu Bildgröße). Der nominelle Linsenaufbau für das Ausführungsbeispiel der 10 bis 62, wie er in den Tabellen für die optischen Linsenvorschriften wiedergegeben ist, ist bei 77°F (25°C, 298K) und Standardatmosphärendruck (760mm Hg) gegeben.
  • Jetzt mit Bezug auf die 11 bis 30 werden die zwanzig Positionen 1 bis 20, die in der vorangegangenen optischen Vorschrift des Linsensystems und der vorangehenden Tabelle der Linsenpositionen gezeigt sind, in dieser Reihenfolge dargestellt. Zum Beispiel ist 11 ein optisches Diagramm der Linsenelemente in der Position 1, nämlich einer achsenparallelen effektiven Brennweite (EFL) von 7,391mm und auf unendlich eingestellt, wobei die erste und die zweite Fokusgruppe FG1 und FG2 eng getrennt sind, die erste und die zweite Zoomgruppe ZG1 und ZG2 weit getrennt sind und die dritte Zoomgruppe ZG3 in ihrer vordersten Position ist. Andererseits ist 25 das optische Diagramm, das die Position 15 mit der größten Brennweite und dem kürzesten Fokusabstand darstellt, wobei die erste und die zweite Fokusgruppe FG1 und FG2 beide in ihrer hintersten Position angeordnet sind, wobei die erste und die zweite Zoomgruppe ZG1 und ZG2 in einer Position mit engem Abstand sind, aber mit Zwischenabständen zwischen benachbarten Objektivgruppen, und die dritte Zoomgruppe ZG3 in der hintersten Position ist.
  • Die 31 bis 34 sind vergrößerte optische Diagramme nur der sieben Fokusgruppen-FG-Elemente 1 bis 7 und sie stellen repräsentative Positionen 1, 18, 12 bzw. 15 dar. Es ist anzumerken, dass, während die Linsenelementpositionen in den 32 und 34 die gleichen sind, welche den Fokusabstand von 2550mm repräsentieren, die Strahlengänge aufgrund der Differenz in den achsenparallelen Brennweiten von dem Minimum von ungefähr 7,4mm in der 32 bis zu dem Maximum von ungefähr 2065mm in 34 unterschiedlich sind.
  • Die 35 und 36 sind vergrößerte optische Diagramme, die das letzte Linsenelement 7 der Fokusgruppe FG und die erste und die zweite Zoomgruppe ZG1 und ZG2 in den Positionen 1 bzw. 12 für die minimale bzw. die maximale achsenparallele Brennweite darstellen. Ebenso stellen die 37 und 38 die hintere Zoomgruppe RZG mit der dritten Zoomgruppe ZG3 in der vordersten bzw. der hintersten Position 1 bzw. 12 dar, die die minimale bzw. die maximale achsenparallele Brennweitenposition darstellen.
  • Jetzt mit Bezug auf die 39 bis 58 sind die Strahlenaberrationsschaubilder für die Positionen 1 bis 20 jeweils auf herkömmliche Weise durch fünf getrennte Schaubilder mit der maximalen Feldhöhe oben und der Feldhöhe Null unten und für fünf Wellenlängen gezeigt, wie darauf aufgelistet. Wie es für den Fachmann leicht ersichtlich ist, weisen diese Leistungskurven nach, dass das Zoomobjektivsystem in allen zwanzig Positionen außergewöhnlich gut für aktuelle NTSC-Fernsehübertragungs-Qualität und außergewöhnlich gut für HDTV-Fernsehübertragungs-Qualität arbeitet. Obwohl die 50, die die Position 12 darstellt, starke Änderungen in den Strahlen-Aberrationen bei dieser Brennweite und bei Einstellung auf unendlich darstellt, ist die Leistung zufriedenstellend, weil die Modulationsübertragungsfunktion nahe der Beugungsgrenze ist. Ebenso stellen die 52 und 53, die die Positionen 14 bzw. 15 darstellen, sich stark ändernde Strahlen-Aberrationen dar, die aber noch akzeptabel bezüglich der Beugungsgrenzen für diese Positionen mit nahem Fokus und langer Brennweite sind.
  • Es wird jetzt auf die 59 Bezug genommen, in der das Kurvenschaubild für die erste und die zweite Fokusgruppe FG1 und FG2 (links bzw. rechts) für den vollen Bereich ihrer Fokusbewegung von unendlich bis auf Naheinstellung gezeigt ist, wobei der Gegenstandsraum links ist. Die erste und die zweite Fokusgruppe FG1 und FG2 bewegen sich getrennt und nicht genau in dem gleichen Maß, obwohl die stabilen Kurvenlinien in 59 beinahe parallel aussehen. Die schraffierten Bereiche an der Ober- und Unterseite von 59 erlauben Temperaturänderungen, Herstellungstoleranzen und Fabrikationsanpassungen. Ebenso stellt die 60 die Kurvenschaubilder für die drei Zoomgruppen ZG1, ZG2 bzw. ZG3 von links nach rechts dar, und es ist leicht zu erkennen, dass sich alle drei Gruppen unabhängig bewegen, obwohl sie aufeinander abgestimmt sind, um die gewünschten Brennweiten über den gesamten Bereich kontinuierlich zu erreichen. Die 61 ist ein Schaubild der "f" Zahl der offenen Blende relativ zu der achsenparallelen effektiven Brennweite. Ebenso ist 62 ein Schaubild des vollen Blendendurchmessers bei voller Blende relativ zu der achsenparallelen effektiven Brennweite über den vollen Bereich davon.
  • Detaillierte Beschreibungen von anderen Ausführungsbeispielen.
  • Die 63 und 64 stellen ein Beispiel eines anderen Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung dar. Dieses Ausführungsbeispiel des Zoomobjektivsystems ist sehr ähnlich zu dem Ausführungsbeispiel der 8A und 8B, mit Ausnahme, dass eine binäre (beugende) Fläche bereitgestellt ist. Insbesondere wird eine binäre Fläche auf der vorderen Fläche (Fläche Nr. 3 in der Vorschrift) des zweiten Linsenelements bereitgestellt. Die optische Vorschrift für das Linsensystem wird unten in den Tabellen dargestellt, die allgemein mit "Tabellen für die 63 und 64" betitelt sind. Eine ausführlichere Erklärung der Tabellen wird in den folgenden Tabellen bereitgestellt. Tabellen für die Figuren 63 und 64 Optische Vorschrift für das Linsensystem
    Figure 00570001
    Figure 00580001
    • Anmerkung: maximaler Bilddurchmesser = 11,0mm
    • * Die Flächenprofile der asphärischen Flächen S12 and S26 werden durch die folgende übliche Gleichung bestimmt:
    Figure 00580002
    wobei:
    KRM
    = 1/(Radius der Fläche)
    Y
    = Blendenhöhe, senkrecht zu der optischen Achse gemessen
    K, A, B, C, D
    = Koeffizienten
    Z
    = Position des Flächenprofils für einen gegebenen Y-Wert, gemessen längs der optischen Achse von dem Pol (d.h. dem axialen Scheitel) der Fläche
    Figure 00580003
    • # Das Flächenprofil der binären Fläche S3 wird durch die folgende übliche Gleichung bestimmt: zusätzliche Phase = A1p2 + A2p4 + A3p6 + A4p8 + A5p10 wobei: A,, A2, A3, A4 und A5 Koeffizienten sind und p die normierte radiale Koordinate an der Fläche ist.
  • Der Normierungsfaktor ist Eins gesetzt und die p's werden einfach Radialkoordinaten.
    A1 = –0.14123699
    A2 = –8.7028052e – 007
    A3 = –1.2255122e – 010
    A4 = 5.9987370e – 015
    A5 = –1.2234791e – 019
    Figure 00590001
  • Die Tabelle der binären Fläche 3 ist im Anschluss an die Tabelle der optischen Vorschrift für das Linsensystem; die oben aufgelistet ist, enthalten. Die binäre Fläche 3 addiert eine Phase zu der Wellenfront. Durch Bereitstellen der binären Fläche 3 können die zweiten bis fünften Linsenelemente 2, 3, 4 und 5 in dem Fokusbereich der Linse aus relativ kostengünstigem Glas, wie zum Beispiel BK7, anstatt aus teuerem optischen Glas, das abnorme Dispersionseigenschaften aufweist, wie zum Beispiel SFPL51, hergestellt werden. Während es vorteilhaft ist, diese binäre Fläche 3 nahe der Vorderseite des Linsensystems aufzuweisen, wo die Achsenstrahldurchmesser am größten sind, ist es für Fachleute leicht ersichtlich, dass die binäre (Beugungs-) Fläche an anderer Stelle bereitgestellt werden kann und dass mehr als eine solche Fläche bereitgestellt werden kann. Auch andere Verfahren der Abbildungsfehlerkorrektur können vorteilhaft verwendet werden. Es ist anzumerken, dass dieses Ausführungsbeispiel auch zwei asphärische Flächen 12 und 26 einbezieht.
  • 63 zeigt das Zoomobjektivsystem, wobei die Zoomgruppen bei der längsten Brennweite positioniert sind und die Fokusgruppe auf unendlich eingestellt ist. Ebenso sind die Strahlen-Aberrationen-Schaubilder der 64 bei unendlichem Fokus und maximaler Brennweite. Es ist anzumerken, dass die Verwendung einer binären Fläche in diesem Ausführungsbeispiel eine Modifikation ist, die in jedem der Ausführungsbeispiele der Erfindung, die hierin offenbart sind, oder zukünftigen Variationen der Erfindung verwendet werden kann.
  • Die 65 und 66 stellen ein Beispiel eines anderen Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung dar. Dieses Ausführungsbeispiel des Zoomobjektivsystems der vorliegenden Erfindung ist dem Ausführungsbeispiel der 10 bis 62 sehr ähnlich, mit Ausnahme, dass eine binäre (beugende) Fläche bereitgestellt ist. Insbesondere ist die binäre Fläche an der vorderen Fläche (Fläche Nr. 6 in der Vorschrift) des dritten Linsenelements von links bereitgestellt. Wie oben mit Bezug auf die 10 bis 62 beschrieben, ist dieses dritte Linsenelement das erste (vordere) der zwei Linsenelemente, die die zweite Fokusgruppe FG2 aufweist, welche axial bewegbar zum Durchführen des Fokussierens zusammen mit der bewegbaren ersten Fokusgruppe FG1 ist, die nur das zweite Linsenelement aufweist. Die optische Vorschrift des Linsensystems für das Ausführungsbeispiel der 65 und 66 ist unten in den Tabellen dargestellt, die allgemein mit "Tabellen für die 65 und 66" betitelt sind. Tabellen für die Figuren 65 und 66 Optische Vorschrift für das Linsensystem
    Figure 00620001
    Figure 00630001
    • Anmerkung: maximaler Bilddurchmesser = 11.3mm
    • * Die Flächenprofile der asphärischen Flächen S17 und S31 werden durch die folgende übliche Gleichung bestimmt:
    Figure 00630002
    wobei:
    KRM
    = 1/(Radius der Fläche)
    Y
    = Blendenhöhe, senkrecht zu der optischen Achse gemessen
    K, A, B, C, D
    = Koeffizienten
    Z
    = Position des Flächenprofils für einen gegebenen Y-Wert, gemessen längs der optischen Achse von dem Pol (d.h. dem axialen Scheitel) der Fläche
    Figure 00630003
    • # Das Flächenprofil der binären Fläche S6 wird durch die folgende übliche Gleichung bestimmt:
    zusätzliche Phase = A1p2 + A2p4 + A3p6 + A4p8 + A5p10 wobei: A,, A2, A3, A4 und A5 Koeffizienten sind und p die normierte radiale Koordinate an der Fläche ist.
  • Der Normierungsfaktor ist Eins gesetzt und die p's werden einfach Radialkoordinaten.
    A1 = –0.038094023
    A2 = –2.7327913e – 006
    A3 = 5.0795942e – 010
    A4 = –5.0245151e – 014
    A5 = 1.5103625e – 018
    Figure 00640001
  • Die Vorschrift der binären Fläche 6 ist im Anschluss an die Tabelle der optischen Vorschriften des Linsensystems, die oben aufgelistet ist, enthalten. Die Hinzufügung der binären Fläche 6 zu der grundlegenden optischen Vorschrift des Linsensystems des Ausführungsbeispiels der 10 bis 62 erlaubt die Ersetzung des Fluor-Kronglases der Linsenelemente 3 und 4 (drittes und viertes von links in 65) durch weniger kostenintensives Glas, wie zum Beispiel BK7. Obwohl auch andere kleine Änderungen in der Vorschrift vorgenommen werden, weist das Zoomobjektivsystem der 65 und 66 die gleiche Anzahl von Linsenelementen und die gleiche Anzahl von beweglichen Gruppen zum Fokussieren und Zoomen auf, wie das Ausführungsbeispiel der 10 bis 62. 65 zeigt das Zoomobjektivsystem, wobei die Zoomgruppen bei der längsten Brennweite positioniert sind und die Fokusgruppen auf unendlich eingestellt sind. Ebenso sind die Strahlenaberrationsschaubilder von 66 bei unendlichem Fokus und der längsten Brennweite.
  • Die 67 bis 70 stellen ein Beispiel eines anderen Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung dar. Dieses Ausführungsbeispiel des Zoomobjektivsystems der vorliegenden Erfindung weist ein Zoomverhältnis von ungefähr 400:1 auf. Insbesondere weist dieses Ausführungsbeispiel einen Zoombereich der Brennweiten von ungefähr 7,47mm (die in 67 gezeigte Position) bis ungefähr 2983mm (die in 68 gezeigte Position) auf. Wie bei dem Ausführungsbeispiel der 10 bis 62 weist dieses Ausführungsbeispiel drei bewegliche Zoomlinsengruppen ZG1, ZG2 und ZG3 mit zwei von ihnen in dem vorderen Zoomobjektivbereich und einem in dem hinteren Zoomobjektivbereich auf. Die Strahlenaberrationsschaubilder der 69 und 70 sind bei achsenparallelen effektiven Brennweiten (EFL) von 7,47mm bzw. 2983mm dargestellt und veranschaulichen, dass dieses Ausführungsbeispiel in Anbetracht des extrem breiten Bereichs der Brennweiten und des großen Zoomverhältnisses, was ähnlich den Leistungsmerkmalen des Ausführungsbeispiels der 10 bis 62 ist, gut funktioniert. Die optischen Schaubilder der 67 und 68 und die Strahlenaberrationsschaubilder der 69 und 70 sind bei unendlichem Fokus gezeigt.
  • Die optische Vorschrift für das Linsensystem der 67 bis 70 wird unten in den Tabellen dargestellt, die allgemein mit "Tabellen für die 67 bis 70" betitelt sind. Die folgenden Daten in der optischen Vorschrift des Linsensystems sind in der gleichen Weise dargestellt und die Beschriftungen weisen dieselben Bedeutungen wie in den vorangegangenen optischen Vorschriften der Linsensysteme auf. Tabellen für die Figuren 67 bis 70 Optische Vorschrift für das Linsensystem
    Figure 00670001
    Figure 00680001
    • Anmerkung: maximaler Bilddurchmesser = 11,0mm
    • * Die Flächenprofile der asphärischen Flächen S7, S10, S24, S36, S64 und S65 werden durch die folgende übliche Gleichung bestimmt:
    Figure 00680002
    wobei:
    KRM
    = 1/(Radius der Fläche)
    Y
    = Blendenhöhe, senkrecht zu der optischen Achse gemessen
    K, A, B, C, D, E
    = Koeffizienten
    Z
    = Position des Flächenprofils für einen gegebenen Y-Wert, gemessen längs der optischen Achse von dem Pol (d.h. dem axialen Scheitel) der Fläche
  • Figure 00680003
  • Das Flächenprofil der binären Fläche S6 wird durch die folgende übliche Gleichung bestimmt zusätzliche Phase = A1p2 + A2p4 + A3p6 + A4p8 + A5p10 + A6p12 wobei: A,, A2, A3, A4, A5 und A6 Koeffizienten sind und p die normierte radiale Koordinate an der Fläche ist
  • Der Normierungsfaktor ist Eins gesetzt und die p's werden einfach Radialkoordinaten.
    A1 = –0.0183497
    A2 = 0.1385814
    A3 = –0.1283323
    A4 = 0.0099737
    A5 = –4.5949510
    A6 = –0.2743554
    Figure 00690001
  • Detaillierte Beschreibung des Ausführungsbeispiels mit gefaltetem Objektiv.
  • 71 ist ein optisches Diagramm, das ein Beispiel noch eines anderen Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung zeigt, das einen oder mehrere Spiegel zum Falten des Objektivs für zusätzliche Kompaktheit einbezieht. Das Beispiel der 71 ist ähnlich zu den vorher beschriebenen Ausführungsbeispielen, wobei drei allgemeine Zoomgruppen mit 50, 52 und 54 gekennzeichnet sind. Ein Zwischenbild ist bei 56 angeordnet. Die Fokusgruppe 66 ist während des Fokussierens bewegbar, aber sie ist fest stehend, wenn das Objektiv bei einem konstanten Fokus ist. Die Blende ist bei 84 angeordnet. Einzigartig für das Ausführungsbeispiel der 71 mit dem gefalteten Zoomobjektiv ist ein Spiegel 64, der zwischen der vorderen und der hinteren Zoomgruppe 52 und 54 zum "Falten" oder Umlenken der Lichtstrahlen angeordnet ist. Das Ausführungsbeispiel der 71 kann in irgendeiner Kamera eingesetzt werden, aber es ist besonders für kleine Kameras wie zum Beispiel Sucherhandkameras geeignet, weil der gefaltete Aufbau ermöglicht, dass das Objektiv in einen kleineren Raum passt. 71 veranschaulicht ein SLR Ausführungsbeispiel, das einen reflektierenden Spiegel 60 und ein Okular 62 zum Ermöglichen aufweist, dass ein Benutzer das Bild sieht, während der Reflex-Spiegel 60 in der in 71 angezeigten Position ist.
  • Die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind insbesondere zum Falten geeignet, weil der Spiegel 64 innerhalb des Zwischenbildraums 58 in irgendeinem Bereich angeordnet werden kann, der nicht die Bewegung der Zoomgruppen 52 und 54 stört. Im Gegensatz dazu haben herkömmliche Kompaktzoomobjektive Linsenelemente, die in den Körper der Kamera eingezogen werden müssen, was die meisten oder alle Luftspalte innerhalb des Objektivs beseitigt und das Einsetzen eines Spiegels ausschließt. In dem Beispiel der 71 ist der Spiegel 64 auf der Bildseite des Zwischenbildes 56 angeordnet. Jedoch kann der Spiegel 64 in anderen Ausführungsbeispielen auf der Gegenstandsseite des Zwischenbildes 56 angeordnet sein. Es ist zu verstehen, dass andere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung mehrere Faltungen (Spiegel) haben können und dass die Spiegel nicht auf 45° bezüglich der optischen Achse orientiert sein brauchen.
  • Das in dem Beispiel der 71 dargestellte gefaltete Objektiv ermöglicht verschiedene nützliche Aufbaumöglichkeiten und Vorteile. Wie oben erwähnt, ermöglicht der Knick in dem Objektiv, dass das Zoomobjektiv weniger Platz verbraucht. Ferner ermöglicht das gefaltete Zoomobjektiv, dass einige oder alle der Linsenelemente innerhalb des Körpers der Kamera bleiben, was die Kompaktheit weiter verbessert. In einem Ausführungsbeispiel kann sogar die Fokusobjektivgruppe 66 vollständig innerhalb des Körpers der Kamera bleiben, wodurch das Objektiv geschützt ist und die Kamera noch kompakter hergestellt werden kann. Zusätzlich ermöglicht das gefaltete Zoomobjektiv, dass Kompaktkameras Zoomverhältnisse von ungefähr 10:1 oder höher erreichen, verglichen mit einem Maximum von ungefähr 4:1 in herkömmlichen Kompaktkameras. Darüber hinaus erfordern SLR-Kameras ein klobiges Pentaprisma zum Umdrehen des Bildes und somit vermeiden Kompaktkameras üblicherweise das Schauen durch das Objektiv. Aufgrund des Zwischenbildes 56 und der Spiegel 64 und 60 in der vorliegenden Erfindung ist das Endbild jedoch ohne den Bedarf eines klobigen Pentaprismas schon richtig orientiert und das durch die Linse Schauen wird sogar in Kameras mit Kompaktgröße ermöglicht.
  • Das exemplarisch gefaltete Zoomobjektiv der 71 stellt eine EFL von ungefähr 12mm bis 120mm, ein Zoomverhältnis von ungefähr 10:1, einen "f" Zahl-Bereich von ungefähr f/3 bis f/5 bei voller Blende und bei einem maximalen Sichtfeldwinkel in dem Gegenstandsraum von ungefähr 84,1 Grad bis 10,3 Grad bereit und empfängt Strahlung in einem Wellenbereich von mindestens 486nm bis 588nm. Das Bild, das durch das Ausführungsbeispiel der 71 erzeugt wird, ist ungefähr 12mm hoch und ungefähr 18mm breit mit einer Diagonalabmessung von ungefähr 21,65mm, was ungefähr die halbe Größe des Bildes in einer herkömmlichen 35mm Standphotokamera ist.
  • Die 72A bis 72D sind optische Diagramme, die das Ausführungsbeispiel des Beispiels des gefalteten Zoomobjektivs der 71 bei anderen Zoompositionen darstellen, wobei das gefaltete Objektiv zur Deutlichkeit in einer flachen (nicht gefalteten) Orientierung und die Zoomgruppen in verschiedenen exemplarischen Positionen gezeigt sind. Wie in 71 ist die Fokusobjektivgruppe 66 in dem Beispiel der 72A bis 72D zum Fokussieren bewegbar und bei konstantem Fokus fest stehend und der Spiegel 64 und das Okular 62 sind auch fest stehend. Die Blende ist bei 84 angeordnet und ist während des Zoomens bewegbar. Das Zoomobjektiv-Beispiel der 72A bis 72D weist tatsächlich acht bewegliche Zoomgruppen 68, 70, 72, 74, 76, 78, 80 und 82 auf, obwohl es selbstverständlich sein sollte, dass andere Ausführungsbeispiele des gefalteten Zoomobjektivs mehr oder weniger Zoomgruppen aufweisen können. Das Beispiel des gefalteten Zoomobjektivs der 72A bis 72D benutzt alle sphärischen Flächen, aber es sollte selbstverständlich sein, dass andere Ausführungsbeispiele asphärische und/oder binäre (beugende) Flächen einsetzen können.
  • Detaillierte Beschreibung des Infrarot-Ausführungsbeispiels.
  • Die 73A bis 73C sind optische Schaubilder für ein Beispiel eines Infrarot(IR)-Ausführungsbeispiels des Zoomobjektivsystems der vorliegenden Erfindung, die verschiedene Positionen der Zoomgruppen darstellen. Das Zwischenbild ist bei 86 angeordnet. Die Fokusgruppe 88 ist während des Fokussierens bewegbar, aber sie ist bei konstantem Fokus fest stehend. Die Endbildebene ist bei 90 angeordnet und die Blende ist bei 92 angeordnet. Das Ausführungsbeispiel der 73A bis 73C kann in Schwachlicht- und Überwachungskameras eingesetzt werden, weil das Zoomobjektivsystem für Infrarotwellenlängen konzipiert ist. Das Beispiel der 73A bis 73C stellt eine EFL von 6,68mm bis 1201,2mm, einen "f" Zahlenbereich von f/2,00 bis f/5,84, eine Bilddiagonale von 8,0mm, einen maximalen Sichtfeldwinkel in dem Gegenstandsraum von 64,5 Grad bis 0,388 Grad und eine Scheitellänge von 902,28mm bereit. Es besteht eine Verzeichnung von –4,93% bei der Brennweitenposition bei 6,68mm und eine Verzeichnung von +0,34% bei der Brennweitenposition bei 1201,2mm. Diese Verzeichnung steigert das effektive Zoomverhältnis auf 190:1. Das Beispiel der 73A bis 73C weist insgesamt neun Elemente auf, wobei sechs Elemente (94, 96, 98, 100, 102 und 104) in dem Zoomkern 106 sind und drei Elemente (108, 110 und 112) in dem Zoomrelais 114 sind. Es ist anzumerken, dass der "Zoomkern", wie er hierin bezeichnet wird, all die Elemente von dem Gegenstandsraum bis zu dem Zwischenbild repräsentiert, während das "Zoomrelais", wie es hierin bezeichnet wird, all die Elemente von dem Zwischenbild bis zu dem Endbild repräsentiert.
  • Die optische Vorschrift der Linsensysteme für das IR Ausführungsbeispiel der 73A bis 73C wird unten in den Tabellen dargestellt, die allgemein mit "Tabellen für die 73A, 73B und 73C" betitelt sind. Die folgenden Daten in der optischen Vorschrift der Linsensysteme sind auf die gleiche Weise dargestellt und die Beschriftungen haben dieselben Bedeutungen wie in den vorangehenden optischen Vorschriften der Linsensysteme. Tabellen für Figuren 73A, 73B und 73C Optische Vorschrift für das Linsensystem
    Figure 00750001
    • Anmerkung: maximaler Bilddurchmesser = 8,0mm
    • * Die Flächenprofile der asphärischen Flächen S2, S6, S10, S12, 513, S14, S15, S16, 517, S18 und S19 werden durch die folgende übliche Gleichung bestimmt:
    Figure 00750002
    wobei:
    KRM
    = 1/(Radius der Fläche)
    Y
    = Blendenhöhe, senkrecht zu der optischen Achse gemessen
    K, A, B, C, D, E, F, G
    = Koeffizienten
    Z
    = Position des Flächenprofils für einen gegebenen Y-Wert, gemessen längs der optischen Achse von dem Pol (d.h. dem axialen Scheitel) der Fläche
    Figure 00750003
    Figure 00760001
    • # Das Flächenprofil der binären Fläche S3 wird durch die folgende übliche Gleichung bestimmt:
    zusätzliche Phase = A1p2 + A2p4 + A3p6 + A4p8 + A5p10 wobei: A,, A2, A3, A4 und A5 Koeffizienten sind und p die normierte radiale Koordinate an der Fläche ist.
  • Der Normierungsfaktor ist Eins gesetzt und die p's werden einfach Radialkoordinaten.
    A1 = –0.0085882326
    A2 = –1.2587653e – 008
    A3 = –5.4668365e – 013
    A4 = 8.4183658e – 018
    A5 = 1.37740SSe – 022
    Figure 00770001
  • Die 74 bis 76 sind Strahlenaberrationsschaubilder, die den Positionen der Zoomgruppen, die in den jeweiligen 73A bis 73C gezeigt sind, entsprechen. Die Strahlenaberrationsschaubilder der 74 bis 76 sind bei achsenparallelen effektiven Brennweiten (EFL) von 6,68mm, 133,46mm bzw. 1201,18mm und einem Wellenlängenbereich von 8 bis 12 Mikrometern. Die optischen Diagramme der 73A bis 73C und die Strahlenaberrationsschaubilder der 74 bis 76 sind bei unendlichem Fokus gezeigt.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung vollständig in Verbindung mit ihren Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben wurde, ist anzumerken, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen Fachleuten einfallen werden. Solche Änderungen und Modifikationen sollten als von dem Bereich der vorliegenden Erfindung, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert ist, umfasst verstanden werden.

Claims (25)

  1. Zoomobjektivsystem zum Erzeugen eines Endbildes eines Gegenstands, wobei das System eine Gegenstandsseite und eine Bildseite aufweist und ein erstes reelles Zwischenbild zwischen dem Gegenstand und dem Endbild erzeugt, wobei das System in der Reihenfolge vom der Gegenstandsseite zu der Bildseite gekennzeichnet ist durch: eine erste optische Einheit, die mindestens zwei Linsenelemente aufweist und zwischen dem Gegenstand und dem ersten reellen Zwischenbild angeordnet ist, wobei die Einheit mindestens eine optische Untereinheit aufweist, welche bewegt wird, um die Vergrößerung des ersten reellen Zwischenbildes zu ändern; und eine zweite optische Einheit, die mindestens zwei Linsenelemente aufweist und zwischen dem ersten reellen Zwischenbild und dem Endbild angeordnet ist, wobei mindestens ein Teil davon bewegt wird, so dass die Vergrößerung des Endbildes geändert wird.
  2. Zoomobjektivsystem nach Anspruch 1, wobei die zweite optische Einheit mindestens eine optische Untereinheit aufweist und mindestens eine der optischen Untereinheiten bewegbar ist, um eine Achsen-Position des Endbildes im Wesentlichen stationär zu halten, während die Brennweite des Systems geändert wird.
  3. Zoomobjektivsystem nach Anspruch 1, wobei die zweite optische Einheit mindestens eine optische Untereinheit aufweist und sich mindestens eine der optischen Untereinheiten in jeder der ersten und der zweiten Untereinheit kontinuierlich bewegt, während die Brennweite des Systems geändert wird.
  4. Zoomobjektivsystem nach Anspruch 1, wobei die zweite optische Einheit mindestens eine optische Untereinheit aufweist und mindestens eine der optischen Untereinheiten in einer der ersten und der zweiten optischen Einheit mindestens vorübergehend stationär ist, während sich mindestens eine der optischen Untereinheiten in der anderen der ersten und der zweiten optischen Einheit bewegt, während die Brennweite des Systems geändert wird.
  5. Zoomobjektivsystem nach Anspruch 1, wobei: (a) die zweite optische Einheit mindestens eine optische Untereinheit aufweist; und (b) eine Änderung der Brennweite des Systems mindestens eine erste Bewegung und mindestens eine zweite Bewegung aufweist, wobei: (i) die erste Bewegung der zweiten Bewegung vorausgehen oder folgen kann; (ii) für die erste Bewegung sich mindestens eine optische Untereinheit der ersten optischen Einheit ohne Bewegung irgendeiner optischen Untereinheit der zweiten optischen Einheit bewegt; und (iii) für die zweite Bewegung sich mindestens eine optische Untereinheit der zweiten optischen Einheit ohne Bewegung irgendeiner optischen Untereinheit der ersten optischen Einheit bewegt.
  6. Zoomobjektivsystem nach Anspruch 5, wobei eine Änderung der Brennweite des Systems nur eine einzige erste Bewegung und eine einzige zweite Bewegung aufweist.
  7. Zoomobjektivsystem nach Anspruch 1, das ferner eine Fokussiereinheit der Gegenstandsseite der ersten optischen Einheit zum Fokussieren mindestens eines des Zwischenbildes und des Endbildes aufweist.
  8. Zoomobjektivsystem nach Anspruch 1, wobei die erste optische Einheit eine Öffnungsblende aufweist und das System ferner eine Pupillenabbildungseinheit aufweist, die zwischen der ersten und der zweiten optischen Einheit zum Abbilden einer Ausgangspuppille der ersten optischen Einheit angeordnet ist, um eine Eingangspuppille der zweiten optischen Einheit zu bilden.
  9. Zoomobjektivsystem nach Anspruch 1, wobei die zweite optische Einheit eine Öffnungsblende aufweist und das System ferner eine Pupillenabbildungseinheit aufweist, die zwischen der ersten und der zweiten optischen Einheit zum Abbilden einer Eingangspuppille der zweiten optischen Einheit angeordnet ist, um eine Ausgangspuppille der ersten optischen Einheit zu bilden.
  10. Zoomobjektivsystem nach Anspruch 1, die ferner eine Bildstabilisierungseinheit auf der Bildseite der zweiten optischen Einheit zum Stabilisieren des Endbildes aufweist.
  11. Zoomobjektivsystem nach Anspruch 7, wobei die Fokussiereinheit zwei optische Untereinheiten aufweist, die längs der optischen Achse des Zoomobjektivsystems bewegbar sind.
  12. Zoomobjektivsystem nach Anspruch 11, wobei die optische Achse geradlinig ist.
  13. Zoomobjektivsystem nach Anspruch 7, wobei die Fokussiereinheit sieben oder weniger Linsenelemente aufweist.
  14. Zoomobjektivsystem nach Anspruch 10, wobei die Bildstabilisierungseinheit mindestens ein Linsenelement aufweist, das seitwärts aus der optischen Achse des Zoomobjektivsystems bewegbar ist.
  15. Zoomobjektivsystem nach Anspruch 10, wobei die Bildstabilisierungseinheit mindestens ein Linsenelement aufweist, das längs der optischen Achse des Zoomobjektivsystems axial bewegbar ist.
  16. Zoomobjektivsystem nach Anspruch 10, wobei die Bildstabilisierungseinheit mindestens ein seitwärts bewegbares Linsenelement, das seitwärts aus der optischen Achse des Zoomobjektivsystems bewegbar ist, und mindestens ein axial bewegbares Linsenelement aufweist, das längs der optischen Achse axial bewegbar ist, wobei das mindestens eine seitwärts bewegbare Linsenelement von dem mindestens einen axial bewegbaren Linsenelement durch einen Luftraum getrennt ist, wobei die Strahlung von dem Gegenstand, die durch den Luftraum durchläuft, im Wesentlichen parallel gerichtet wird.
  17. Zoomobjektivsystem nach Anspruch 14, wobei die Strahlung von dem Gegenstand, die durch das System durchläuft, an dem mindestens einen seitwärts bewegbaren Linsenelement im Wesentlichen parallel gerichtet wird.
  18. Zoomobjektivsystem nach Anspruch 15, wobei die Strahlung von dem Gegenstand, die durch das System durchläuft, an dem mindestens einen axial bewegbaren Linsenelement im Wesentlichen parallel gerichtet wird.
  19. Zoomobjektivsystem nach Anspruch 1, wobei ein oder mehrere zusätzliche reelle Zwischenbilder zwischen dem Gegenstand und dem Endbild erzeugt werden.
  20. Zoomobjektivsystem nach Anspruch 19, das ferner eine oder mehrere zusätzliche optische Einheiten zum Ändern der Größe (Vergrößerung) des einen oder der mehreren zusätzlichen reellen Zwischenbilder aufweist.
  21. Zoomobjektivsystem nach Anspruch 1, wobei das erste reelle Zwischenbild in einem Luftraum zwischen optischen Elementen in dem Zoomobjektivsystem erzeugt wird und während des Zoomens in dem Luftraum bleibt.
  22. Zoomobjektivsystem nach Anspruch 19, wobei das eine oder die mehreren zusätzlichen reellen Zwischenbilder in einem oder mehreren Lufträumen zwischen optischen Elementen in dem Zoomobjektivsystem erzeugt werden und währen des Zoomens in dem einen oder den mehreren Lufträumen verbleiben.
  23. Zoomobjektivsystem nach Anspruch 1, wobei das System mindestens eine asphärische optische Oberfläche aufweist.
  24. Zoomobjektivsystem nach Anspruch 1, wobei das System mindestens eine beugende optische Oberfläche aufweist.
  25. Zoomobjektivsystem nach Anspruch 1, wobei das System mindestens eine asphärische optische Oberfläche und mindestens eine beugende optische Oberfläche aufweist.
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