DE2224429C3 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein auf verschiedene Objektentfernungen scharf einstellbares Weitwinkelobjektiv des Typs umgekehrter Teleobjektive mit einem variablen Luftabstand.

Bereits bekannte fotografische Objektive sind so ausgebildet, daß nach Einstellung des betreffenden Objektivs auf eine bestimmte Objektentfernung von einem Objekt auf einer senkrecht zur optischen Achse liegenden Ebene, der Bildebene, ein möglichst scharfes Bild oder ein beliebig weich gezeichnetes Bild erzeugt wird.

In der Praxis gibt es viele Objekte mit unterschiedlicher Tiefe. In einem solchen Fall ist es nicht günstig, wenn nur die Ebene, in der das Hauptobjekt liegt, scharf abgebildet wird. Zum Beispiel gibt es Aufnahmen, bei denen ein Hauptobjekt in einer bestimmten Entfernung in der Mitte des Objektfeldes und ein Nebenobjekt in größerer oder kleinerer Entfernung am Rand des Objektfeldes liegen. Solche Fälle kommen bei Weitwinkelaufnahmen mit einem fotografischen Objektiv mit verhältnismäßig kleiner Brennweite häufig vor. Wenn der Unterschied der Objektentfernung zwischen dem Hauptobjekt und dem Nebenobjekt die Schärfentiefe des fotografischen Objektivs überschreitet, wird es schwierig, die beiden Objekte zusammen in der gewünschten Schärfe abzubilden.

Es ist unter Umständen günstig, wenn das Objektiv eine geeignete positive oder negative Bildfeldkrümmung besitzt. Für den Fall, daß außer dem Hauptobjekt noch ein in größerem Abstand als das Hauptobjekt liegendes Nebenobjekt fotografiert werden soll, ist es nämlich wünschenswert, daß eine zum Objekt konvexe Bildfeldkrümmung vorgesehen ist. Wenn ein in kleinerem Abstand als das Hauptobjekt liegendes Nebenobjekt fotografiert werden soll, ist es wünschenswert, daß das Bildfeld konkav zum Objektiv gekrümmt ist.

Bei Weitwinkelobjektiven vom Typ umgekehrter Teleobjektive wird die Schärfentiefe am Rand des Objektfeldes kleiner als in der Mitte, und das Bild wird im allgemeinen am Rand unscharf. Weitwinkelobjektive des genannten Typs sind solche, die kurze Brennweiten bei langer Schnittweite besitzen. Ein Weitwinkelobjektiv vom Typ umgekehrter Teleobjektive besitzt nämlich die Eigenschaft, daß die Bildfeldkrümmung am Bildfeldrand bei kleiner Entfernung des Objekts zum Objektiv konvex und bei großer Entfernung konkav ist, das heißt, daß beim Weitwinkelobjektiv dieses Typs der Bildfeldkrümmungsverlauf gerade entgegengesetzt zu dem hier gewünschten Verlauf erfolgt.

So wird die Bildfeldkrümmung herkömmlicherweise auch durchweg als Abbildungsfehler eines Objektivs angesehen. Sie ist es dann, wenn ein insgesamt flaches Objektfeld durch das Objektiv auf eine ihm als Abbildungsfehler eigene, gewölbte, d. h. von der achsensenkrechten Gaußschen Bildebene abweichende Bildfläche abgebildet wird, wodurch das Bild, das auf dem in der Gaußschen Bildebene plan angeordneten Film entworfen wird, eine von der Bildmitte zum Rande hin zunehmende Unschärfe zeigt. Bei der Konstruktion hochwertiger Objektive ist es deshalb zunächst immer das Bestreben, durch konstruktive Maßnahmen sämtliche Abbildungsfehler, also auch die Bildfeldkrümmung, gegen Null gehen zu lassen, um so ein hinsichtlich aller Abbildungsfehler möglichst gut korrigiertes Objektiv zu erhalten.

Die beste Korrektion der Abbildungsfehler eines Objektivs fand sich zunächst immer bei einer bestimmten Entfernungseinstellung, für welche die Abbildungsfehler bei der Gestaltung des jeweiligen Objektivs berechnet wurden, und der Korrektionsgrad der Abbildungsfehler verschlechterte sich mit der Änderung der Entfernungseinstellung bzw. des damit direkt zusammenhängenden Abbildungsmaßstabs.

Durch die US-PS 25 37 912 wurde dann ein Objektiv bekannt, das einen hohen Korrektionsgrad und ein hohes Auflösungsvermögen über einen beträchtlichen Bereich des Abbildungsmaßstabs etwa von 1 : 1 bis 10 : 1 oder von 20 : 1 bis unendlich aufrechterhält. Bei einem aus mehreren Komponenten bestehenden Objektiv werden der Abbildungsmaßstab und die Fokussierung verändert, indem die Abstände der zwei konjugierten Ebenen (Objekt- und Bildebene) von dem Objektiv geändert werden, und wenigstens eine Komponente (Linse) des Objektivs ist in einer Linsenfassung montiert, die im Objektivtubus relativ zu den übrigen Objektivkomponenten axial bewegbar ist, um einen Luftabstand zwischen zwei Komponenten zu verändern. Dabei wird als zu verändernder Luftabstand ein solcher ausgewählt, der eine markante Auswirkung auf den oder die Abbildungsfehler hat, der oder die sich bei Veränderung des Abbildungsmaßstabs am deutlichsten verändern, und die Bewegung der bewegbaren Linsenfassung steht in enger Korrelation mit dem Abbildungsmaßstab, so daß die optimale Korrektur des Objektivs bei allen Abbildungsmaßstäben aufrechterhalten wird. Einziger Zweck dieser bekannten Konstruktion ist also eine möglichst optimale Korrektur der Abbildungsfehler über einen weiten Bereich des Abbildungsmaßstabs bzw. der Entfernungseinstellung, und das bedeutet im Falle der Bildfeldkrümmung die Aufrechterhaltung des flachen Bildfeldes über diesen weiten Bereich, wie es nach dem herkömmlichen Konzept der Fotografie erwünscht ist. Der veränderliche Luftabstand wird nicht verändert, um die Bildfeldkrümmung beabsichtigt einzustellen, sondern um die Änderung der Bildfeldkrümmung, die unerwünschtermaßen durch die Änderung des Abbildungsmaßstabs hervorgerufen wird, zu kompensieren, um eine angestrebte minimale Bildfeldkrümmung entgegen der Änderung des Abbildungsmaßstabs aufrechtzuerhalten. Die Veränderung des Luftabstandes zur Korrektur der Abbildungsfehler steht deshalb immer in engem Zusammenhang mit der Entfernungs- oder Scharfeinstellung.

Durch das DE-GM 66 06 937 ist ein hinsichtlich der bei der Änderung der Entfernungseinstellung bzw. des Abbildungsmaßstabs auftretenden Abbildungsfehler korrigiertes Weitwinkelobjektiv des Typs umgekehrter Teleobjektive bekannt. Bei diesem Objektivtyp ändern sich der Astigmatismus und die Bildkrümmung im Vergleich zu den anderen Abbildungsfehlern mit der Änderung der Entfernungseinstellung besonders stark. Der Lösungsvorschlag des Gebrauchsmusters zur Korrektur der Abbildungsfehler macht sich die Tatsache zunutze, daß auf Grund eines wegen des speziellen Aufbaus dieses Objektivtyps zwischen einer sammelnden und einer zerstreuenden Linse nahe parallel verlaufenden Lichtflusses der Luftspalt zwischen diesen Linsen stark die Bildkrümmung und den Astigmatismus beeinflußt, aber nicht die anderen Abbildungsfehler. Es wird also ein Luftspalt mit nahezu parallelem Lichtfluß abhängig von der Änderung der Entfernungseinstellung in der Richtung verändert, in der die mit der Änderung der Entfernungseinstellung bzw. des Abbildungsmaßstabs einhergehende Änderung der Bildfeldkrümmung und des Astigmatismus' kompensiert wird, so daß die Eigenschaften der Bildfläche im praktisch gleichen Zustand unabhängig von der Objektentfernung aufrechterhalten werden. Dabei ist der Mechanismus zur Korrektion der Linsenaberration gekoppelt mit dem Mechanismus zur Entfernungseinstellung, um die Aberration automatisch zu korrigieren. Auch hier kommt es also nur auf die Korrektur u. a. der Bildfeldkrümmung über einen möglichst weiten Bereich der Entfernungseinstellung an.

Durch die DE-AS 18 04 888 ist ein Objektiv mit einem variablen Luftabstand bekannt, welcher in Abhängigkeit von der Entfernungseinstellung veränderbar ist, um Astigmatismus und Koma, die sich bei kurzer Entfernungseinstellung sonst verschlechtern würden, auf diejenigen Aberrationen zurückzuführen, welche im Falle unendlicher Entfernung vorhanden sind. Auch hier ist also das Problem ausschließlich die Korrektur der Abbildungsfehler.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein auf verschiedene Objektentfernungen scharf einstellbares Objektiv zu schaffen, das auch auf beliebig gekrümmte Objektfelder scharf einstellbar ist.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß das Objektiv derart ausgebildet ist, daß mittels Änderungen des variablen Luftabstands, unabhängig von der Objektentfernung, nach Belieben verschiedene, stark unterschiedliche konvexe, plane oder konkave Bildfeldkrümmungen einstellbar sind.

Vorzugsweise ist bei Scharfeinstellung des Weitwinkelobjektivs auf verschieden weit entfernte Objekte der Luftabstand gemäß einer bestimmten Relation in Abhängigkeit von der Objektentfernung änderbar, wobei das Bildfeld im wesentlichen eben bleibt, und ist durch eine zusätzliche, von der Objektentfernung unabhängige Änderung des Luftabstandes die Bildfeldkrümmung änderbar.

Entsprechend der Entfernung eines Objekts und dessen dreidimensionalem Aufbau werden Hauptobjekt und Nebenobjekt nach der Absicht des Fotografen gewählt, und um die Schärfe der Objektbilder regulierbar zu machen, ist zwischen den Linsengruppen des Objektivs ein Abstand belassen, dessen Änderung die Bildfeldkrümmung, jedoch im wesentlichen nicht die anderen Aberrationen ändert; dieser Abstand kann getrennt von der Einstellung der Objektentfernung des Linsensystems vorzugsweise manuell eingestellt werden.

Dadurch können dreidimensionale, d. h. sich auch in die Tiefe erstreckende Aufnahmeobjekte ohne Zuhilfenahme der Schärfentiefe durchgehend scharf abgebildet werden, indem die Bildfeldkrümmung dem Objektverlauf angepaßt wird.

Die Erfindung geht also von einem bereits korrigierten Objektiv aus, das ein flaches Objekt auf eine flache Bildebene scharf abbildet (die Bildfeldkrümmung als Abbildungsfehler ist korrigiert), und widmet sich dem Problem der scharfen Abbildung von Objekten mit unterschiedlicher Tiefe. Um insbesondere bei von "unendlich" abweichenden Entfernungseinstellungen eine für die scharfe Abbildung dreidimensionaler Objekte auf eine flache Bildebene (den Film) ausreichende Tiefenschärfe zu erhalten, hat der Fotograf bei den bekannten korrigierten Objektiven oft nur die Möglichkeit der Abblendung, was wiederum eine längere Belichtungszeit erforderlich macht.

Nach der vorliegenden Erfindung kann nun durch Veränderung eines Luftabstandes im Objektiv die Bildfeldkrümmung ausgehend von einer Mitten- oder Ausgangsstellung, in der die Bildfeldkrümmung korrigiert ist, also ein flaches Objekt scharf auf die flache Bildebene abgebildet wird, bewußt um ein bestimmtes Maß nach konvex oder konkav verändert, d. h. eingestellt werden, und zwar unabhängig von der Entfernungseinstellung. Es wird damit eine künstliche, variable Bildfeldkrümmung geschaffen, so daß runde, vertiefte oder andere dreidimensionale Objekte scharf auf die Bildebene (den Film) abgebildet werden können, ohne daß durch Abblendung die Tiefenschärfe in Anspruch genommen werden muß.

Damit findet die Bildfeldkrümmung erstmals eine Anwendung als optisches Mittel zur wahlweisen Fokussierung nicht nur flacher Objektfehler, sondern auch konvexer und konkaver Objektfelder auf eine flache Bildebene. Die Bildfeldkrümmung wird bewußt und in bestimmbarem Maße unabhängig vom Abbildungsmaßstab entsprechend den unterschiedlichen Entfernungen einzelner Gegenstände eines Gesamtmotivs verändert, so daß neben dem Hauptmotiv, auf dessen Entfernung das Objektiv in bekannter Weise scharf eingestellt ist, auch in anderen Entfernungsebenen liegende Nebenmotive gleichzeitig scharf auf einer ebenen Bildfläche (dem Film) abgebildet werden können.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert:

Fig. 1 erläutert die Bildfeldkrümmung eines Weitwinkelobjektivs vom Typ umgekehrter Teleobjektive,

Fig. 2 zeigt schematisch in Seitenansicht ein fotografisches Objektiv gemäß der Erfindung,

Fig. 3 zeigt ein Schnittbild eines erfindungsgemäßen Objektivs,

Fig. 4 zeigt die Bildfeldkrümmung zu einem Objekt in großer Entfernung, in mittlerer Entfernung und in kleiner Entfernung, wobei in (a) der Fall, in dem der Abstand zwischen den Linsengruppen des Objektivs klein ist, in (b) der Fall, in dem dieser Abstand normal, und in (c) der Fall, in dem dieser Abstand groß ist, dargestellt ist.

Fig. 1 zeigt den normalen Verlauf der Bildfläche eines bekannten Weitwinkelobjektivs vom Typ umgekehrter Teleobjektive. Wie vorher beschrieben, befindet sich das Objekt O₁ in mittlerer Entfernung, das Objekt O₂ in großer Entfernung und das Objekt O₃ in kleiner Entfernung von dem Objektiv L. Bei mittlerer Entfernung des Objektivs O₁ erhält man ein senkrecht zur optischen Achse liegendes ebenes Bild I₁ des Objekts O₁, bei dem die Bildfeldkrümmung gut korrigiert ist. Dagegen wird das in großer Entfernung befindliche Objekt O₂ zwischen dem Bild I₁ und dem Objektiv L als Bild I₂ abgebildet; außerdem ist dessen Bildfeldkrümmung zum Objektiv L konkav, und der Rand des Bildfeldes hat im Vergleich zum mittleren Teil vom Bild I₁ einen relativ großen Abstand. Das Bild I₃ des Objekts O₃, das sich in geringer Entfernung vom Objektiv L befindet, wird hinter dem Bild I₁ erzeugt; seine Bildfeldkrümmung ist in bezug auf das Objektiv L konvex und der Rand des Bildfeldes hat von der Bildebene des Bildes I₁ ebenfalls einen größeren Abstand als der mittlere Teil

Die Bilder I₂ und I₃ haben somit an ihren Rändern einen besonders großen Abstand von der idealen Bildebene.

Bei der Erfindung ist das aus mehreren Linsen bestehende fotografische Objektiv L gemäß Fig. 2 durch einen Luftabstand zwischen den Linsen der objektseitigen Linsengruppe L₁ und der bildseitigen Linsengruppe L₂ unterteilt, wobei jene die vordere Linsengruppe L₁ und diese die hintere Linsengruppe L₂ genannt wird. Die Abstände zwischen den Linsen der vorderen Linsengruppe L₁ wie auch die Abstände zwischen den Linsen der hinteren Linsengruppe L₂ sind dabei stets konstant gehalten. Der obenerwähnte Luftabstand wird so gewählt, daß die Aberrationen außer der Bildfeldkrümmung durch die Änderung dieses Luftabstandes kaum beeinfluß werden, jedoch eine erhebliche Änderung der Bildfeldkrümmung erfolgt. Objektive mit einem Luftabstand zwischen Objektivlinsen sind bereits aus der japanischen Auslegeschrift 9 227/1963 und der japanischen Auslegeschrift 39 875/ 1970 bekanntgeworden.

Um die Objektentfernung einzustellen, wird das ganze Objektiv L durch den ersten Schraubenmechanismus H₁ gegenüber der Kamera verstellt, wobei der obenerwähnte Luftabstand, nämlich der Luftabstand zwischen der vorderen Linsengruppe L₁ und der hinteren Linsengruppe L₂ unverändert bleiben kann.

Wenn die Bildfeldkrümmung des Linsensystems L bei der wie oben bestimmten Objektentfernung geändert werden soll, wird nur die vordere Linsengruppe L₁ durch den zweiten Schraubenmechanismus H₂ gegenüber der hinteren Linsengruppe L₂ verstellt. Die Bildfeldkrümmung kann dadurch wesentlich geändert werden. Das Maß der Änderung kann auf der Mattscheibe des Suchers beobachtet werden, damit der Fotograf die gesuchte Einstellung ermitteln kann.

Bei der Erfindung ist es also erforderlich, die manuelle Bewegung des zweiten Schraubenmechanismus H₂ innerhalb eines gewissen Bereichs bei Stillstand des ersten Schraubenmechanismus H₁ in einer beliebigen Stellung zu ermöglichen.

In Fig. 3 ist ein Objektiv vom Typ umgekehrter Teleobjektive nach der Erfindung gezeigt. Dieses Objektiv ist ein Weitwinkelobjektiv, dessen Brennweite F = 1,0, dessen Öffnungsverhältnis 1 : 2.8, dessen Bildwinkel 2ω = 84° und dessen hintere Brennweite 1.51 ist und das aus acht Linsengliedern mit insgesamt zehn Linsen aufgebaut ist.

Im folgenden sind die Konstruktionsdaten eines erfindungsgemäßen Objektivs aufgeführt.

Dabei kann der Luftabstand d₁₁ eingestellt werden. X sei das Maß der Verschiebung des gesamten Objektivs bei der Scharfeinstellung, α sei der noch in geeigneter Weise einstellbare Teil der Verstellung des Luftabstandes d₁₁ bei beliebig eingestellter Objektentfernung des ganzen Objektivs. Die nachfolgende Tabelle zeigt mögliche Werte eines solchen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispieles.

Der Luftabstand d₁₁ bei dieser Ausführung ist, wie die Beziehung

d₁₁ = 0,233 - ¹/₃ X + α

zeigt, eine Funktion von X und α. Diese Formel bedeutet, daß der Luftabstand d₁₁, anders als der frei wählbare Verstellweg α in Abhängigkeit vom Verschiebeweg X der hinteren Linsengruppe bei Scharfeinstellung des Objektivs zum Zwecke der Korrektur der in Abhängigkeit von der Objektentfernung veränderlichen Bildfeldkrümmung automatisch verkleinert wird.

Die Fig. 4 (a) bis 4 (c) zeigen die Bildfeldschalen des Objektivs nach Fig. 3. Die strichlierte Linie zeigt jeweils die meridionale Bildfläche (Bildfeldschale), die ausgezogene Linie, die sagittale Bildfläche (Bildfeldschale) und die strichpunktierte Linie die mittlere Bildfläche (des Objektivs bei verschiedenen Einstellungen der Bildfeldkrümmung und jeweils unterschiedlicher Objektentfernung). Das Objektiv ist nach allen Fig. 4 (a) bis 4 (c) auf ein Objekt in der mittleren Entfernung von D = 36,4 f scharf eingestellt. Demgemäß liegt die Gaußsche Bildebene des Objektes in der Entfernung D = 36,4 f so, daß sie mit der Ordinate in den Fig. 4 (a) bis 4 (c) zusammenfällt.

Fig. 4 (b) zeigt die Bildfeldschalen bei einem Luftabstand zwischen den Linsengruppen L₁, L₂ von d₁₁ = 0,223 f (X = 0,03 f, α = 0).

Unter dieser Bedingung wird das ebene Objektfeld in der Entfernung D = 36,4 f auf der Bildebene scharf abgebildet, da die mittlere Bildfläche für D = 36,4 f nahezu eben ist, wie die strichpunktierte Linie zeigt. Da der Achsenbildpunkt des Objekts in der Entfernung D = 36,4 f auf der Abszisse bei Null liegt, liegt der Achsenbildpunkt eines Objektes in der Entfernung D = ∞ bei ungefähr -0,03 f, während der Achsenbildpunkt eines Objektes in der kleineren Entfernung von D = 20 f bei ungefähr +0,03 f liegt. Wie aus den für die Objektentfernungen D = ∞ und D = 20 f geltenden strichpunktierten Linien (mittlere Bildfläche) zu ersehen ist, wird das Bild der Objekte in der Entfernung D = ∞ und D = 20 f nicht auf der Bildebene fokussiert.

Fig. 4 (a) zeigt die Bildfeldschalen bei einem Luftabstand zwischen den Linsengruppen L₁, L₂ von d₁₁ = 0,197 f (X = 0,03 f, α = -0,026 f). Die strichpunktierte Linie für die mittlere Entfernung von D = 36,4 f zeigt, daß die mittlere Bildfläche für D = 36,4 f entlang der Ordinate, d. h. mit zunehmendem Bildwinkel ω von der idealen Bildebene abweicht. Im Gegensatz dazu nähert sich die für die Entfernung D = 20 f geltende mittlere Bildfläche der idealen Bildebene entlang der Ordinate mit steigendem Bildwinkel ω an. Deshalb wird ein Objekt in der Entfernung D = 36,4 f auf der Bildebene in deren mittlerem Bereich und ein Objekt in der Entfernung D = 20 f auf der Bildebene in deren Randbereich scharf abgebildet. Das heißt, das konkave Objektfeld wird unter der Bedingung von Fig. 4 (a) auf der Bildebene scharf abgebildet.

Fig. 4 (c) zeigt die Bildfeldschalen bei einem Luftabstand zwischen den Linsengruppen L₁, L₂ von d₁₁ = 0,257 f (X = 0,03 f, α = +0,034 f). Aus den entsprechenden Betrachtungen wie zu Fig. 4 (a) ist zu erkennen, daß unter der Bedingung von Fig. 4 (c) ein konvexes Objektfeld auf der Bildebene scharf abgebildet wird.

Claims (2)

1. Auf verschiedene Objektentfernungen scharf einstellbares Weitwinkelobjektiv des Typs umgekehrter Teleobjektive mit einem variablen Luftabstand, dadurch gekennzeichnet, daß das Objektiv derart ausgebildet ist, daß mittels Änderungen des variablen Luftabstandes, unabhängig von der Objektentfernung, nach Belieben verschiedene, stark unterschiedliche konvexe, plane oder konkave Bildfeldkrümmungen einstellbar sind.

2. Weitwinkelobjektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Scharfeinstellung des Objektivs auf verschieden weit entfernte Objekte der Luftabstand (d₁₁) gemäß einer bestimmten Relation in Abhängigkeit von der Objektentfernung änderbar ist, wobei das Bildfeld im wesentlichen eben bleibt, und daß durch eine zusätzliche, von der Objektentfernung unabhängige Änderung des Luftabstands (d₁₁) die Bildfeldkrümmung änderbar ist.