DE4234144A1

DE4234144A1 - Zoomlinsensystem

Info

Publication number: DE4234144A1
Application number: DE4234144A
Authority: DE
Inventors: Takayuki Ito
Original assignee: Asahi Kogaku Kogyo Co Ltd
Current assignee: Pentax Corp
Priority date: 1991-10-11
Filing date: 1992-10-09
Publication date: 1993-04-15
Also published as: US5343329A; GB9221409D0; FR2682489A1; GB2260423B; FR2682489B1; JPH05107478A; GB2260423A

Description

Die vorliegende Anmeldung beruht auf der japanischen Patentanmeldung Nr. HEI 3-3 29 415, die am 11. Oktober 1991 eingereicht wurde und deren Offenbarung durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung eingeschlossen wird.

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Zoomlinsensystem, das zur Verwendung bei Kompaktkameras geeignet ist, die geringeren Beschränkungen bezüglich des rückwärtigen Brennpunkts unterliegen als Einzellinsen- Spiegelreflexkameras. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Zoomlinsensystem, welches ein hohes Zoomverhältnis von 2,5 und mehr aufweist.

Zur Verwendung bei Kompaktkameras wurden bisher unterschiedliche Arten von Zoomlinsensystemen eingesetzt. Zoomlinsen, die aus drei oder mehr Linsengruppen bestehen, und ein Zoomverhältnis von mehr als 2 aufweisen, lassen sich wie folgt unterteilen:

i) Vier-Gruppen-Zoomlinsensysteme mit vier Linsengruppen (einer positiven, einer negativen, einer positiven und einer negativen Gruppe), wobei eine Blendenöffnung zwischen der zweiten und dritten Gruppe vorgesehen ist, und sämtliche Linsengruppen unabhängig voneinander in Richtung auf das Objekt bewegt werden (diese Art schließt ein System ein, in welchem einige der vier Linsengruppen zusammen bewegt werden). Beispiele für derartige Zoomlinsensysteme sind in den japanischen offengelegten Patentveröffentlichungen Nr. SHO 63-43 115, SHO 63-1 59 818, und SHO 63-1 57 120 beschrieben.
ii) Drei-Gruppen-Zoomlinsensysteme mit drei Linsengruppen (einer positiven, einer positiven und einer negativen Gruppe), wobei eine Blendenöffnung in der zweiten Gruppe vorgesehen ist, und sämtliche Linsengruppen unabhängig voneinander in Richtung auf das Objekt bewegt werden. Beispiele für ein derartiges Zoomlinsensystem sind in den japanischen offengelegten Patentveröffentlichungen Nr. SHO 63-153 511 und SHO 63-1 61 423 beschrieben.
iii) Drei-Gruppen-Zoomlinsensysteme mit drei Linsengruppen (einer positiven, einer positiven und einer negativen Gruppe), wobei eine Blendenöffnung zwischen der zweiten und der dritten Gruppe vorgesehen ist, und sämtliche Linsengruppen in Richtung auf das Objekt bewegt werden (siehe beispielsweise die Veröffentlichung der gemeinsam übertragenen japanischen ungeprüften Patentanmeldung Nr. HEI 2-73 211).
iv) Ein praktisch vier Gruppen aufweisendes Zoomlinsensystem, welches denselben Aufbau wie das System (iii) aufweist, jedoch mit der Ausnahme, daß die zweite Gruppe in eine vordere und eine hintere Gruppe unterteilt ist, die unabhängig voneinander bewegt werden können, siehe Beispiel 3 in der Beschreibung der Veröffentlichung der gemeinsam übertragenen japanischen ungeprüften Patentanmeldung Nr. HEI 2-73 211, oben).

Die voranstehend beschriebenen konventionellen Zoomlinsensysteme weisen jeweils ihre eigenen Probleme auf. In dem System (i) müssen sämtliche vier Linsengruppen unabhängig voneinander bewegt werden, so daß eine große Anzahl von Nocken eingesetzt werden muß; es ist jedoch mechanisch schwierig, diese Nocken in dem geringen Raum vorzusehen, der für Linsen zur Verfügung steht, die bei einer Kompaktkamera eingesetzt werden sollen.

Die Systeme (i) und (ii) erfordern es, daß ein Verschlußblock, der auch als Blendenöffnung dient, entweder zwischen der zweiten und der dritten Linsengruppe angeordnet ist (deren Leistung sich in Folge von Herstellungsfehlern wesentlich verschlechtern kann), oder innerhalb der zweiten Gruppe. Hierbei ist bezüglich der Positionierung des Verschlußblocks eine hohe Genauigkeit erforderlich, und gleichzeitig ist es schwierig, eine gleichbleibende optische Leistung sicherzustellen, da sich die Abbildungsleistung beim Vorliegen geringfügiger Fehler wesentlich verschlechtert.

Weiterhin weisen sämtliche Systeme (i) bis (iv) ein gemeinsames Problem auf; insgesamt sind diese Systeme nicht genügend kompakt, um sie bei einer Kompaktkamera einzusetzen, und in jedem Fall besteht das Gesamtsystem aus mindestens zehn Elementen oder mehreren, wobei zumindest fünf Elemente in der zweiten Gruppe eingesetzt werden.

Die vorliegende Erfindung wurde unter Berücksichtigung dieser Gegebenheiten des Stands der Technik entwickelt, und die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht in der Bereitstellung eines Zoomlinsensystems mit einem hohen Zoomverhältnis von 2,5 oder mehr, welches eine kurze Gesamtlinsenlänge aufweist, welches eine geringere Anzahl von Linsenelementen hat, und welches zur Verwendung bei einer Kompaktkamera geeignet ist.

Die voranstehend geschilderte Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt, wird durch ein Zoomlinsensystem gelöst, welches zumindest drei Linsengruppen aufweist, die in der Reihenfolge von der Objektseite aus so angeordnet sind, daß eine erste Linsengruppe mit einer positiven Brennweite vorgesehen ist, eine zweite Linsengruppe mit einer positiven Brennweite, und eine dritte Linsengruppe mit einer negativen Brennweite, wobei dann, wenn ein Zoomen vom Weitwinkel zu einem kleinen Winkel (Tele) ausgeführt wird, die erste, zweite und dritte Linsengruppe in Richtung auf das Objekt bewegt werden, so daß die Entfernung zwischen der ersten und der zweiten Linsengruppe vergrößert wird, wogegen die Entfernung zwischen der zweiten und dritten Linsengruppe verringert wird, wobei sich das System dadurch auszeichnet, daß sowohl die erste als auch die zweite Linsengruppe zumindest eine asphärische Oberfläche aufweist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, aus welchen sich weitere Vorteile und Merkmale ergeben. Es zeigt:

Fig. 1 eine vereinfachte Querschnittsansicht des Zoomlinsensystems gemäß Beispiel 1 am Weitwinkelende;

Fig. 2 eine Kurvenschar, welche die Aberrationskurven darstellt, die mit dem Zoomlinsensystem gemäß Beispiel 1 erhalten werden,

Fig. 3 eine vereinfachte Querschnittsansicht des Zoomlinsensystems gemäß Beispiel 2 am Weitwinkelende; und

Fig. 4 eine Kurvenschar, welche die Aberrationskurven darstellt, die mit dem Zoomlinsensystem des Beispiels 2 erhalten werden.

Jedes der Zoomlinsensysteme in den Beispielen ist ein Teleobjektivsystem, welches in Reihenfolge von der Objektseite aus eine erste Linsengruppe mit einer positiven Brennweite aufweist, eine zweite Linsengruppe mit hoher Brechkraft und einer positiven Brennweite, sowie eine dritte Linsengruppe mit einer negativen Brennweite.

Diese Zoomlinsensysteme verwenden eine asphärische Oberfläche sowohl in der ersten als auch in der zweiten Linsengruppe, und verringern erfolgreich die Anzahl von Linsenbauteilelementen sowie die Linsengesamtlänge.

Allgemein weisen Drei-Gruppen-Zoomlinsensysteme eine hohe Brechkraft in der zweiten Linsengruppe auf, und diese Linsengruppe besteht aus zahlreichen Linsenelementen. Daher läßt sich die Anzahl an Linsenbauteilelementen verringern, während die Gesamtabmessung des Zoomlinsensystems kompakt gehalten werden, und zwar durch Bereitstellung einer asphärischen Oberfläche in der zweiten Linsengruppe. Dieselben Ergebnisse lassen sich durch Bereitstellung einer asphärischen Oberfläche in der ersten Linsengruppe erreichen, welche - wie die zweite Linsengruppe - eine positive Brechkraft hat.

Wenn bei der Durchführung dieser Vorgehensweise, nämlich asphärische Oberflächen einzusetzen, nur in der zweiten Linsengruppe eine einzige asphärische Oberfläche vorgesehen wird, so ist dies nicht besonders effektiv bezüglich der Verringerung der Anzahl an Linsenbauteilelementen. Eine wirksamere Vorgehensweise besteht in der Bereitstellung zumindest einer asphärischen Oberfläche sowohl in der ersten als auch in der zweiten Linsengruppe.

Die zweite Linsengruppe weist eine derartig hohe positive Brechkraft auf, daß es schwierig ist, nur mit Hilfe sphärischer Oberflächen einen Ausgleich zwischen der sphärischen Aberration und anderen Aberrationen zu erreichen. Daher wird vorzugsweise die sphärische Aberration, die in der zweiten Linsengruppe auftritt, durch eine divergente asphärische Oberfläche korrigiert, wogegen sämtliche anderen Aberrationen durch die asphärischen Oberflächen korrigiert werden, wodurch ein Ausgleich zwischen sämtlichen Aberrationen erreicht wird, die in der zweiten Linsengruppe auftreten.

Wird die Anzahl an Linsenbauteilelementen verringert, so kann eine Unterkorrektur des Astigmatismus auftreten, der aus diesem Grunde vorzugsweise durch asphärische Oberflächen korrigiert wird.

Nachstehend erfolgt eine zusätzliche Diskussion des Ausmaßes der Variation des Koeffizienten der Aberration dritter Ordnung in Folge einer asphärischen Oberfläche. Die Form einer asphärischen Oberfläche läßt sich allgemein durch nachstehende Gleichung (1) ausdrücken:

Hierbei ist x die Entfernung, um welche die Koordinaten in dem Punkt auf der asphärischen Oberfläche, an welchem die Höhe gegenüber der optischen Achse y beträgt, von der Ebene getrennt sind, die tangential zum Scheitelpunkt der asphärischen Oberfläche verläuft; c ist die Krümmung (1/r) des Scheitelpunktes der asphärischen Oberfläche; K ist die Konizitätskonstante; und α4, α6, α8 und α10 sind die asphärischen Koeffizienten der vierten, sechsten, achten bzw. zehnten Ordnung.

Setzt man die Brennweite auf f = 1,0, setzt man also in Gleichung (1) folgende Werte ein: X = x/f, Y = y/f, C = fc, A4 = f³α4, A6 = f⁵α6, A8 = f⁷α8 und A10 = f⁹α10, so erhält man die nachstehende Gleichung (2):

Das erste Glied und die folgenden Glieder der Gleichung (2) legen das Ausmaß der Asphärizität fest, und die Beziehung zwischen dem Koeffizienten A4 des zweiten Gliedes und dem asphärischen Koeffizienten Φ dritter Ordnung wird ausgedrückt durch

Φ = 8(N′ - N) A4;

wobei N der Brechungsindex des Mediums vor der asphärischen Oberfläche ist, und N′ der Brechungsindex des Mediums hinter der asphärischen Oberfläche.

Der asphärische Koeffizient Φ gibt die nachstehenden Variationsbeträge der Aberrationskoeffizienten dritter Ordnung an, wie aus der Aberrationstherorie hervorgeht:

ΔI
= h⁴Φ
ΔII	= h³HΦ
ΔIII	= h²H²Φ
ΔIV	= h²H²Φ
ΔV	= hH³Φ

Hierbei bedeutet:

I: sphärischer Aberrationskoeffizient;
II: Koma-Koeffizient;
III: Astigmatismus-Koeffizient;
IV: Sagittalfeld-Krümmungskoeffizient;
V: Verzerrungskoeffizient;
h: Höhe achsennaher Strahlen auf der Achse, in welcher sie durch jede Linsenoberfläche gelangen; und
H: Höhe achsennaher, nicht auf der Achse liegender Strahlen, die durch das Zentrum der Pupille gelangen, in welcher sie durch jede Linsenoberfläche gelangen.

Wenn in der ersten und zweiten Linsengruppe asphärische Oberflächen vorgesehen werden sollen, so ist die Verwendung nur einer asphärischen Oberfläche nicht ausreichend, eine wesentliche Verringerung der Anzahl an Linsenbauteilelementen zu erzielen. Daher wird vorzugsweise zumindest eine asphärische Oberfläche sowohl bei der ersten als auch bei der zweiten Linsengruppe vorgesehen, welche die nachstehenden Bedingungen (a) und (b) erfült:

(a) -30 < ΔI₂ < 0

(b) -1 < ΔIII₁ < 0

Hierbei gibt

ΔI₂: die Summe der Variationen des Koeffizienten der sphärischen Aberration dritter Ordnung in Folge sämtlicher asphärischer Oberflächen in der zweiten Linsengruppe an (wobei sich der Aberrationskoeffizient unter der Voraussetzung berechnet, daß die Brennweite des Gesamtsystems am Weitwinkelende auf 1,0 gesetzt wird); und
ΔIII₁: gibt die Summe der Variationen des Astigmatismus-Koeffizienten in Folge sämtlicher asphärischer Oberflächen in der ersten Linsengruppe an.

Die Bedingung (a) betrifft die asphärischen Oberflächen in der zweiten Linsengruppe und muß deswegen erfüllt sein, damit durch die asphärischen Oberflächen die sphärische Aberration wirksam korrigiert werden kann. Wird die Obergrenze dieser Bedingung überschritten, so sind die asphärischen Oberflächen bei der Korrektur der sphärischen Aberration nicht mehr wirksam. Wird die Untergrenze der Bedingung (a) nicht erreicht, so tritt eine Überkorrektur der sphärischen Aberration auf.

Die Bedingung (b) betrifft die asphärischen Oberflächen in der ersten Linsengruppe und muß deswegen erfüllt sein, damit der Astigmatismus wirksam durch die asphärischen Oberflächen korrigiert werden kann. Wird die Obergrenze dieser Bedingung überschritten, so sind die asphärischen Oberflächen bei der Korrektur des Astigmatismus nicht mehr wirksam. Wird die Untergrenze der Bedingung (b) nicht erreicht, so tritt eine Überkorrektur des Astigmatismus auf.

Sind zumindest zwei asphärische Oberflächen sowohl in der ersten als auch in der zweiten Linsengruppe auf solche Weise vorgesehen, daß die Bedingungen (a) und (b) erfüllt sind, so können die jeweiligen asphärischen Oberflächen so ausgelegt werden, daß sie unterschiedliche Funktionen erfüllen.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann auch in der dritten Linsengruppe eine asphärische Oberfläche vorgesehen werden, und hierdurch läßt sich der konventionelle Aufbau mit drei Elementen, der in der Reihenfolge von der Objektseite aus ein positives, ein negatives und ein weiteres negatives Element aufweist, vereinfachen zu einem Aufbau mit zwei Elementen, welche in der Reihenfolge von der Objektseite ein positives und ein negatives Element aufweist.

In den Beispielen sind sämtliche Linsensysteme so beschrieben, daß sie zur Kategorie des Typs mit drei Gruppen gehören; allerdings wird darauf hingewiesen, daß die zweite Linsengruppe so betrachtet werden kann, daß sie aus zwei Untergruppen besteht, und in dieser Hinsicht erstreckt sich der Einsatz der vorliegenden Erfindung auf das Vier-Gruppen-Zoomlinsensystem, welches in der Einleitung der vorliegenden Erfindung bei der Schilderung des Stands der Technik beschrieben wurde. Auf entsprechende Weise ist auch ein Drei-Gruppen- Zoomlinsensystem, bei welchem auf die letzte Linsengruppe eine hintere Linsengruppe folgt, die eine geringere Brechkraft aufweist, in den Umfang der vorliegenden Erfindung eingeschlossen.

Die Blende kam entweder innerhalb der zweiten Linsengruppe oder hinter dieser angeordnet werden. Im erstgenannten Fall kann der Linsendurchmesser der Vordergruppe verringert werden, jedoch treten andererseits Schwierigkeiten beim Entwurf einer wirksamen. Linsenzusammenstellung auf. Im letztgenannten Fall (in welchem sich Blende zwischen der zweiten und dritten Linsengruppe befindet) kann der Linsenblock von dem Verschlußblock getrennt werden, und dies trägt dazu bei. einen einfachen mechanischen Aufbau zu erhalten.

Nachstehend werden unter Bezug auf Datenblätter die Beispiele 1 und 2 des Zoomlinsensystems gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben, wobei f die Brennweite bezeichnet, fB den rückwärtigen Brennpunkt, r den Krümmungsradius einer einzelnen Linsenoberfläche (oder den Krümmungsradius des Scheitelpunkts im Falle einer asphärischen Oberfläche), d die Linsendicke oder den Luftspalt zwischen Linsen (die voranstehenden Parameter sind in mm angegeben), FNO die Blendenzahl, ω den halben Betrachtungswinkel (in °), n den Brechungsindex einer einzelnen Linse an der d-Linie, und v die Abb´-Zahl einer einzelnen Linse an der d-Linie. In jedem Datenblatt werden asphärische Oberflächen dadurch von sphärischen Oberflächen unterschieden, daß hinter der Nummer der Oberfläche ein Stern gesetzt wird, und bezeichnen A4, A6, A8 den asphärischen Koeffizienten der vierten, sechsten bzw. achten Ordnung.

Beispiel

Fig. 1 ist eine vereinfachte Querschnittsansicht des Zoomlinsensystems gemäß Beispiel 1 am Weitwinkelende. Einzelne Daten für dieses Beispiel sind in der Tabelle 1 angegeben. Die Aberrationskurven, die bei diesem Linsensystem erhalten werden, sind in den Fig. 2(a), 2(b), und 2(c) angegeben.

Tabelle

Die Werte für FNo, f, fB, ω, d4 und d10 variieren beim Zoomen, wie in Tabelle 2 gezeigt ist.

Tabelle 2

Beispiel 2

Fig. 3 ist eine vereinfachte Querschnittsansicht des Zoomlinsensystems gemäß Beispiel 2 am Weitwinkelende. Einzelne Daten für dieses Beispiel sind in Tabelle 3 angegeben. Die Aberrationskurven, die bei diesem Linsensystem erhalten werden, sind in Fig. 4(a), 4(b) und 4(c) aufgetragen.

Tabelle 3

Die Werte für FNo, f, fB, ω, d4 und d9 variieren beim Zoomen, wie in der nachstehenden Tabelle 4 angegeben ist.

Tabelle 4

Tabelle 5 zeigt Werte, welche die Bedingungen (a) und (b) in den Beispielen 1 und 2 erfüllen:

Tabelle 5

Wie aus der voranstehenden Beschreibung deutlich wird, setzt das Zoomlinsensystem gemäß der vorliegenden Erfindung eine Anordnung ein, die so einfach aufgebaut ist wie eine Anordnung mit drei Gruppen, allerdings wird durch Einführung spezieller Merkmale bezüglich der Anordnung der Linsenelemente in der ersten und zweiten Linsengruppe sowie durch deren Form ein hohes Zoomverhältnis von 2,5 und höher erzielt, wobei ein breiterer Sehwinkel erzielt wird, der Linsendurchmesser verringert wird, und die Gesamtlinsenlänge ebenfalls verringert wird. Gleichzeitig treten geringere Variationen der Aberration beim Zoomen vom Weitwinkel zum Schmalwinkelende auf, oder von Unendlich bis zu einer Entfernung in der Nähe. Weiterhin verringert das erfindungsgemäße Zoomlinsensystem die Anzahl der Linsenelemente, die in dem Gesamtsystem eingesetzt werden. Daher stellt die vorliegende Erfindung ein Zoomlinsensystem des Tele-Typs zur Verfügung, welches insgesamt aus drei Gruppen besteht und zur Verwendung bei einer Kompaktkamera geeignet ist.

Claims

1. Zoomlinsensystem mit zumindest drei Linsengruppen, dadurch gekennzeichnet, daß die Gruppen in der Reihenfolge von der Objektseite aus als eine erste Linsengruppe mit einer positiven Brennweite, eine zweite Linsengruppe mit einer positiven Brennweite, und eine dritte Linsengruppe mit einer negativen Brennweite angeordnet sind, daß dann, wenn ein Zoomen vom Weitwinkelende zum Schmalwinkelende ausgeführt wird, die erste, zweite und dritte Linsengruppe in Richtung auf das Objekt bewegt wird, so daß sich die Entfernung zwischen der ersten und zweiten Linsengruppe vergrößert, wogegen die Entfernung zwischen der zweiten und dritten Linsengruppe abnimmt, und daß sowohl die erste als auch die zweite Linsengruppe jeweils zumindest eine asphärische Oberfläche aufweist.

2. Zoomlinsensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die asphärische Oberfläche die folgenden Bedingungen erfüllt: (a) -30 < ΔI₂ < 0(a) -1 < ΔIII₁ < 0wobeiΔI₂: die Summe der Variationen des Koeffizienten der sphärischen Aberration dritter Ordnung in Folge sämtlicher asphärischen Oberflächen in der zweiten Linsengruppe angibt (wobei der Aberrationskoeffizient so berechnet wird, daß die Brennweite des Gesamtsystems am Weitwinkelende auf 1,0 gesetzt ist); und
ΔIII₁: die Summe der Variationen des Astigmatismus-Koeffizienten in Folge sämtlicher asphärischer Oberflächen in der ersten Linsengruppe bezeichnet.

3. Zoomlinsensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Linsengruppe zwei Linsenelemente umfaßt, die in der Reihenfolge von der Objektseite aus als ein positives und ein negatives Element angeordnet sind, und zumindest eine asphärische Oberfläche aufweist.