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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Fachgebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft variable optische Vergrößerungssysteme
mit einer Bild-Stabilisierungsfunktion gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches
1, und im einzelnen betrifft die vorliegende Erfindung variable
optische Vergrößerungssysteme
mit einer Bild-Stabilisierungsfunktion,
die für
fotografische Kameras oder Videokameras ausgelegt sind, in welchen
eine ein Bauteil des variablen optischen Vergrößerungssystems ausbildende
Linseneinheit in einer Richtung senkrecht zu einer optischen Achse
bewegt wird, um so die Verwackelung eines aufgenommenen Bildes optisch
zu kompensieren, die hervorgerufen wird, wenn das variable optische
Vergrößerungssystem
schwingt (kippelt), so dass das aufgenommene Bild stabil gehalten
wird.
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Beschreibung
des Standes der Technik
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Wenn
in einem fahrenden Auto, einem fliegenden Flugzeug oder in einem ähnlich sich
bewegenden Fahrzeug mit einem Bild-Aufnahmesystem eine Bildaufnahme ausgeführt wird,
breiten sich Vibrationen auf das bildaufnehmende System aus, so
dass eine Bildverwacklung in dem aufgenommenen Bild bewirkt wird.
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Um
das Auftreten einer solchen Bildverwacklung zu verhindern, gibt
es einige aus dem Stand der Technik bekannte Ansätze zum Stabilisieren des in
dem optischen System ausgebildeten Bildes.
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Beispielsweise
wird in der Druckschrift JP-B-56-21133 vorgeschlagen, in Übereinstimmung
mit dem Ausgabesignal einer Erfassungseinrichtung zum Erfassen eines
Vibrationszustandes eines optischen Gerätes ein einen Teil des optischen
Gerätes
begründetes
optisches Element in solch einer Richtung zu bewegen, um den infolge
der Vibration des optischen Gerätes
hervorgerufenen Vibrationsversatz eines Bildes auszulöschen, so
dass das Bild stabil gehalten wird.
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In
der Druckschrift JP-A-61-223819 wird vorgeschlagen, in einem bildaufnehmenden
System, das mit einem bei der vordersten Position des Bildaufnahmesystems
angeordneten variablen Winkel-Prisma vom Strahlbrechungstyp ausgerüstet ist,
einen Scheitelpunktwinkel des variablen Winkel-Prismas in Übereinstimmung
mit der Vibration des Bildaufnahmesystems zu variieren, um derart
ein Bild abzulenken bzw. abzuändern,
wodurch das Bild stabilisiert wird.
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In
der Druckschrift JP-B-56-34847 und in der Druckschrift JP-B-57-7414, etc. wird
vorgeschlagen, in einem Teil des Bildaufnahmesystems ein gegenüber der
Vibration eines Bildaufnahmesystems räumlich fixiertes optisches
Element einzusetzen, sowie einen durch das optische Element gegenüber der
Vibration erzeugten Prisma-Effekt zu verwenden, um ein aufgenommenes
Bild abzuändern,
wodurch das Bild auf einer Brennebene stabilisiert wird.
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In
der Druckschrift JP-A-1-116619 sowie in der Druckschrift JP-A-2-124521
wird vorgeschlagen, einen Beschleunigungssensor oder dergleichen
zu verwenden, um die Vibration des Bildaufnahmesystems zu erfassen,
und um in Erwiderung des hiervon erzielten Erfassungssignals eine
einen Teil des Bildaufnahmesystems begründende Linseneinheit in einer
Richtung senkrecht zu einer optischen Achse schwingen zu lassen,
um derart ein aufgenommenes Bild zu stabilisieren.
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Die
Druckschrift JP-A-7-128619 offenbart ein gewöhnliches variables Vergrößerungssystem,
welches in der Reihenfolge von der Objektseite folgendes aufweist:
eine während
der Fokussierung und während
des Zoomens stationär
bleibende erste Linseneinheit mit positiver Strahlbrechkraft, eine
die Verstärkungs-Veränderungsfunktion
aufweisende zweite Linseneinheit mit negativer Strahlbrechkraft,
eine Apertur-Blende,
eine dritte Linseneinheit mit positiver Strahlbrechkraft sowie eine
sowohl die Funktion des Kompensierens der aufgrund der Variation
der Verstärkung
hervorgerufenen Bildverschiebung als auch die Funktion des Fokussierens
aufweisende vierte Linseneinheit mit positiver Strahlbrechkraft,
wobei die dritte Linseneinheit aus zwei Linsen-Untereinheiten besteht,
das heißt,
aus einer ersten Linsen-Untereinheit mit negativer Strahlbrechkraft sowie
aus einer zweiten Linsen-Untereinheit mit positiver Strahlbrechkraft,
und wobei die zweite Linsen-Untereinheit in eine Richtung senkrecht
zu einer optischen Achse bewegt wird, um derart die Verwacklung
eines aufgenommenen Bildes zu kompensieren, wenn das variable optische
Vergrößerungssystem
schwingt.
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In
der Druckschrift JP-A-7-199124 wird vorgeschlagen, in einem variablen
optischen Vergrößerungssystem
vom 4-Einheiten-Typ
mit einer Plus-Minus-Plus-Plus-Strahlbrechkraftanordnung
die Gesamtheit der dritten Linseneinheit in einer Richtung senkrecht
zu einer optischen Achse schwingen zu lassen, um derart ein aufgenommenes
Bild zu stabilisieren.
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Derweilen
offenbart die Druckschrift JP-A-5-60974 ein anderes variables optisches
Vergrößerungssystem
vom 4-Einheiten-Typ mit einer Plus-Minus-Plus-Plus-Strahlbrechkraftanordnung,
wobei die dritte Linseneinheit in der Gestalt des Telephoto-Typs aus einer positiven
Linse sowie einer negativen Linse mit Meniskusform gebildet ist,
wodurch ein Vorteil dahingehend erzeugt wird, dass die Gesamtlänge des
gesamten Systems reduziert wird.
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Allgemein
bewirkt die Verwendung des Verfahrens der Stabilisierung eines aufgenommenen
Bildes, indem das optische Bild-Stabilisierungssystem vor dem Bildaufnahmesystem
angeordnet und eine einen Teil des optischen Bild-Stabilisierungssystems
begründende
bewegbare Linseneinheit vibriert wird, um derart die Verwacklung
des aufgenommenen Bildes zu kompensieren, dass ein Problem dahingehend
zunimmt, dass das gesamte Gerät
hinsichtlich der Abmessungen größer und
ein Antriebsmechanismus zum Bewegen der bewegbaren Linseneinheit
im Aufbau kompliziert werden.
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Ferner
besteht ein deutlich schwerwiegenderes Problem darin, dass, wenn
die bewegbare Linseneinheit vibriert wird, ein hoher Umfang der
Dezentrierungs-Aberrationen erzeugt wird, mit dem Ergebnis einer deutlichen
Verschlechterung des optischen Leistungsvermögens.
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Bei
dem optischen System, welches das variable Winkel-Prisma zum Stabilisieren
eines aufgenommenen Bildes einsetzt, liegt ein Problem darin, dass
der Umfang der während
der Bildstabilisierung erzeugten lateralen chromatischen Dezentrierungs-Aberrationen
zunimmt, und zwar insbesondere bei der Seite langer Brennweiten
(Tele-Seite).
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Andererseits
besteht bei dem optischen System, in welchem eine einen Teil des
Bildaufnahmesystems begründende
Linseneinheit in einer Richtung senkrecht zu der optischen Achse
in Schwingungen versetzt wird, um derart ein aufgenommenes Bild
zu stabilisieren, ein Vorteil darin, dass keine zusätzliche,
für die
Bildstabilisierung vorgesehene optische Einheit notwendig ist. Jedoch
bestehen Probleme darin, dass in dem optischen System ein überflüssiger Zwischenraum
bereitgestellt werden muss, um derart die schwingende Linseneinheit
zu bewegen, und es bestehen Probleme dahingehend, dass der Umfang
der während
der Bildstabilisierung erzeugten Dezentrierungs-Aberrationen außerordentlich
zunimmt.
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Ferner
werden in dem zuvor beschriebenen variablen optischen Vergrößerungssystem
vom 4-Einheiten-Typ, welches positive, negative, positive und positive
Linseneinheiten aufweist, wenn zum Zwecke der Verkürzung der
Gesamtlänge
des gesamten Systems die dritte Linseneinheit in der Gestalt eines
Tele-Typs aus einer
positiven Linse sowie einer negativen Meniskuslinse besteht, große Dezentrierungs-Aberrationen,
insbesondere Distortions-Aberrationen bzw. Bildverzerrungs-Aberrationen erzeugt,
wenn die gesamte dritte Linseneinheit in einer Richtung senkrecht
zu der optischen Achse bewegt wird, um ein aufgenommenes Bild zu
stabilisieren. In dem Fall, wenn solch ein optisches Vergrößerungssystem
bei der Vorrichtung zum Aufnehmen von bewegten Bildern, wie etwa
bei Videokameras, angewandt wird, besteht ein Problem darin, dass
während der
Bildstabilisierung die Deformation eines aufgenommenen Bildes auffällig wird.
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, ein variables optisches
Vergrößerungssystem
gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 derart weiterzuentwickeln, dass es hinsichtlich
Dezentrierungs-Aberrationen hinreichend korrigiert ist.
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Gemäß der Erfindung
wird diese Aufgabe durch ein variables optisches Vergrößerungssystem
mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
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Vorteilhafte
Weiterentwicklungen sind in den abhängigen Patentansprüchen ausgeführt.
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In Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung wird eine einen Teil eines variablen
optischen Vergrößerungssystems
begründende
Linseneinheit mit relativ geringer Abmessung und mit geringem Gewicht
in einer Richtung senkrecht zu einer optischen Achse bewegt, um
derart die Verwacklung eines Bildes zu kompensieren, wenn das variable
optische Vergrößerungssystem
schwingt (kippelt). Indem geeignete Auslegungsregeln für die Konstruktion
und Anordnung der begründenden
Linsen der Linseneinheit dargelegt werden, werden die Größe des gesamten
Systems minimiert, die Struktur bzw. der Aufbau eines Betriebsmechanismus vereinfacht
sowie die Last auf eine Antriebseinrichtung reduziert, während es
nach wie vor gestattet ist, dass der Umfang der während der
Bewegung der Linseneinheit erzeugten Dezentrierungs-Aberrationen auf
einen Minimalwert unterdrückt
wird.
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Die
oben genannten Aufgabe und Merkmale der Erfindung werden anhand
der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
hiervon ersichtlich, wenn die Beschreibung in Verbindung mit den
beigefügten
Zeichnungen gelesen wird.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER VERSCHIEDENEN ANSICHTEN DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine schematische Ansicht der paraxialen Strahlbrechkraftanordnung
eines variablen optischen Vergrößerungssystems
gemäß der Erfindung.
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2 ist
ein Linsen-Blockdiagramm eines numerischen Beispiels 1 der Erfindung
in dem Weitwinkel-Ende.
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3A ist
ein Linsen-Blockdiagramm eines numerischen Beispiels 2 der Erfindung
in dem Weitwinkel-Ende.
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3B ist
ein Geometriediagramm zum Erläutern
der bildverzerrenden Aberration.
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4 ist
ein Linsen-Blockdiagramm eines numerischen Beispiels 3 der Erfindung
in dem Weitwinkel-Ende.
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5A–5D sind
graphische Darstellungen der Aberrationen des numerischen Beispiels
1 der Erfindung in dem Weitwinkel-Ende.
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6A–6D sind
graphische Darstellungen der Aberrationen des numerischen Beispiels
1 der Erfindung in einer mittleren Brennweitenposition.
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7A–7D sind
graphische Darstellungen der Aberrationen des numerischen Beispiels
1 der Erfindung in dem Tele-Ende.
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8A–8D sind
graphische Darstellungen der Aberrationen des numerischen Beispiels
1 der Erfindung in dem Weitwinkel-Ende.
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9A–9D sind
graphische Darstellungen der Aberrationen des numerischen Beispiels
2 der Erfindung in einer mittleren Brennweitenposition.
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10A–10D sind graphische Darstellungen der Aberrationen
des numerischen Beispiels 2 der Erfindung in dem Tele-Ende.
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11A–11D sind graphische Darstellungen der Aberrationen
des numerischen Beispiels 3 der Erfindung in dem Weitwinkel-Ende.
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12A–12D sind graphische Darstellungen der Aberrationen
des numerischen Beispiels 3 der Erfindung in einer mittleren Brennweitenposition.
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13A–13D sind graphische Darstellungen der Aberrationen
des numerischen Beispiels 3 der Erfindung in dem Tele-Ende.
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14A–14D sind schematische Darstellungen zum Erläutern des
optischen Prinzips des Bild-Stabilisierungssystems gemäß der Erfindung.
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15 ist ein Linsen-Blockdiagramm eines
numerischen Beispiels 4 der Erfindung in dem Weitwinkel-Ende.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Im
nachfolgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
detailliert unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
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1 zeigt
ein dünnes
Linsensystem, dessen paraxiale Strahlbrechkraftanordnung äquivalent
zu der Anordnung der numerischen Beispiele 1–3 einer Ausführungsform
der Erfindung ist, welche später
vollständiger
beschrieben werden. 2, 3A und 4 sind
jeweils Längsschnittansichten
der numerischen Beispiele 1 bis 3 von variablen optischen Vergrößerungssystemen
der Erfindung in dem Weitwinkel-Ende.
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In
diesen Figuren bezeichnet die Bezugsziffer L1 eine erste Linseneinheit
mit positiver Strahlbrechkraft, die Bezugsziffer L2 bezeichnet eine
zweite Linseneinheit mit negativer Strahlbrechkraft, und die Bezugsziffer
L3 bezeichnet eine dritte Linseneinheit mit positiver Strahlbrechkraft.
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In
dieser Ausführungsform
ist die dritte Linseneinheit L3 derart ausgeführt, dass sie sich in die Richtung
senkrecht zu einer optischen Achse bewegt, um die Verwacklung eines
Bildes auf der Brennebene zu kompensieren, wenn das variable optische
Vergrößerungssystem
schwingt (oder kippelt).
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Die
Bezugsziffer L4 bezeichnet eine vierte Linseneinheit mit positiver
Strahlbrechkraft. Die Bezugsziffer SP steht für eine vor der dritten Linseneinheit
L3 positionierten Apertur-Blende,
die Bezugsziffer G steht für einen
Glasblock, wie etwa eine Deckplatte, und die Bezugsziffer IP steht
für eine
Bildebene.
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Während des
Zoomens von dem Weitwinkel-Ende zu dem Tele-Ende bewegt sich in
der vorliegenden Ausführungsform,
wie es mit den Pfeilen angezeigt ist, die zweite Linseneinheit in
Richtung der Bildseite, während
sich gleichzeitig die vierte Linseneinheit so bewegt, um die Bildverschiebung
infolge der Variation der Verstärkung
zu kompensieren.
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Die
vierte Linseneinheit ist ebenso derart ausgeführt, dass sie sich für Fokussier-Zwecke
axial bewegt. Das heißt,
das Rück-Fokussierungsverfahren
wird verwendet. Eine gekrümmte
durchgezogene Linie 4a und eine gekrümmte gestrichelte Linie 4b zeigen
in der 1 die Ortskurve der Bewegung der vierten Linseneinheit,
um beim Zoomen von dem Weitwinkel-Ende zu dem Tele-Ende die Bildverschiebung
zu kompensieren, wenn jeweils auf ein Objekt im Unendlichen und
ein nahe liegendes Objekt fokussiert wird. Im Übrigen verbleiben während des
Zoomens und während
der Fokussierung die erste und dritte Linseneinheit stationär.
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In
der vorliegenden Ausführungsform
werden sowohl die Funktion des Kompensierens der Bildverschiebung
mit dem Zoomen als auch die Funktion des Fokussierens ausgeführt, indem
ein und dieselbe Linseneinheit, das heißt, die vierte Linseneinheit,
bewegt wird. Wie im einzelnen durch die gekrümmten Linien 4a und 4b in
der 1 gezeigt, stellt die Gesamt-Zoombewegung eine
konvexe Ortskurve in Richtung der Objektseite dar. Dieses stellt
eine effiziente Verwendung des Zwischenraumes zwischen der dritten
Linseneinheit und der vierten Linseneinheit sicher, wodurch eine
in großem
Maße erwünschte Verkürzung der
Gesamtlänge des
gesamten optischen Systems erreicht wird.
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In
der vorliegenden Ausführungsform
bewegt sich, wenn beispielsweise die Einstellung beim Tele-Ende
ist, die vierte Linseneinheit während
des Fokussierens von einem im Unendlichen liegenden Objekt zu einem
nahe liegenden Objekt nach vorne, wie es durch eine durchgezogene
Linie 4c in der 1 gezeigt ist.
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Das
optische System in der vorliegenden Ausführungsform beansprucht einen
Zoom-Typ, in welchem die erste und zweite Linseneinheit als zusammengesetztes
System ein virtuelles Bild ausbilden, welches mit der dritten und
vierten Linseneinheit auf eine photosensitive Fläche in ein reelles Bild fokussiert
wird.
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Im
Vergleich zu der herkömmlichen
Zoom-Linse vom sogenannten 4-Komponenten-Typ, bei welcher sich die
erste Komponente zum Fokussieren nach vorne bewegt, wird in der
vorliegenden Ausführungsform durch
das Verwenden des oben beschriebenen Rück-Fokussierverfahrens verhindert,
dass der effektive Durchmesser der ersten Linseneinheit größer wird,
was den Vorteil hat, dass das Leistungsvermögens gegenüber einer Verschlechterung
infolge des Fehlers der axialen Ausrichtung der ersten Linseneinheit
geschützt werden
kann.
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Dann
wird die Abweichung der Aberrationen der bewegbaren Linseneinheiten
vermindert, indem unmittelbar vor der dritten Linseneinheit die
Apertur-Blende angeordnet wird, und die axiale Separation bzw. Trennung
zwischen den Linseneinheiten vor der Apertur-Blende wird verkürzt, um
eine Abnahme des Durchmessers der Vorderelemente der ersten Linseneinheit
zu ermöglichen.
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In
den numerischen Beispielen 1 bis 3 der Erfindung ist die dritte
Linseneinheit L3 derart ausgeführt, dass
sie sich in der Richtung senkrecht zu der optischen Achse bewegt,
um derart die Bildverwackelung zu kompensieren, wenn das variable
optische Vergrößerungssystem
schwingt. Dieses ermöglicht
eine Stabilisierung des Bildes, und zwar ohne dass ein neues optisches
Element, wie etwa die Linseneinheit hinzugefügt werden muss, welches einzig
dazu dient, das Bild zu stabilisieren, oder wie etwa das variable
Winkel-Prisma, wie es im Stand der Technik notwendig ist.
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Als
nächstes
wird unter Bezugnahme auf die 14A bis 14D das optische Prinzip beschrieben, das verwendet
werden muss, damit das variable optische Vergrößerungssystem als Bild-Stabilisierungssystem
funktioniert, da erfindungsgemäß die Verwackelung
des Bildes auf der Brennebene kompensiert wird, indem die Linseneinheit
in der Richtung senkrecht zu der optischen Achse bewegt wird.
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Wie
in der 14A gezeigt, sei angenommen,
dass ein in Rede stehendes optisches System drei Teile aufweist,
das heißt,
eine feste Linseneinheit Y1, eine Dezentrierungs-Linseneinheit Y2 sowie eine feste Linseneinheit
Y3. Es sei angenommen, dass sich ein weit genug von dem optischen
System entfernt auf der optischen Achse angeordneter Objektpunkt
P selber als Bildpunkt p bei der Mitte auf der Brennebene IP abzeichnet.
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Nun
sei vorausgesetzt, dass infolge Vibrationen das optische System
einschließlich
der Brennebene IP unmittelbar wackelt, wie es in der 14B gezeigt ist, dann bewegt der Objektpunkt P
auch unmittelbar sein Bild zu einem Punkt p', wodurch das Bild verwackelt wird.
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Wenn
sich die Dezentrierungs-Linseneinheit Y2 in einer Richtung senkrecht
zu der optischen Achse bewegt, dann verschiebt sich derweilen der
Bildpunkt p zu einer Position p''. Der resultierende
Umfang und die resultierende Richtung der Bewegung des Bildpunktes
p hängen
von der Strahlbrechkraftanordnung ab, die als Dezentrierungs-Sensitivität dieser
Linseneinheit ausgedrückt
wird.
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Aus
diesem Grund ist die Dezentrierungs-Linseneinheit Y2 derart ausgeführt, dass
sie sich in eine geeignete Richtung senkrecht zu der optischen Achse
und mit einer geeigneten Strecke bewegt, um derart den verlagerten
Bildpunkt p' in
der 14B zu der anfänglichen
Position p zu bringen. Von daher wird, wie es in der 14D gezeigt ist, die Kompensation der Verwackelung
oder die Stabilisierung des Bildes ausgeführt.
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Nun
sei angenommen, dass die optische Achse um θ° geneigt und die Brennweite
des gesamten optischen Systems mit f bezeichnet werde, und dass
die Dezentrierungs-Sensitivität
der Linseneinheit Y2 zur Verschiebung durch TS ausgedrückt werde,
dann wird der zum Korrigieren der Neigung erforderliche Umfang der (Verschiebungs-)Bewegung Δ der Dezentrierungs-Linseneinheit
Y2 über
die nachfolgende Gleichung angegeben: Δ = f·tan(θ)/TS
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Wenn
die Dezentrierungs-Sensitivität
TS der Linseneinheit zum Verschieben zu groß ist, nimmt der Umfang der
Bewegung Δ einen
kleinen Wert an. Von daher kann der erforderliche Umfang der Bewegung
zum Stabilisieren des Bildes klein gemacht werden, jedoch wird es
schwierig, die Bewegung mit einer Genauigkeit zu steuern, die hoch
genug ist, um das Bild zu stabilisieren. Von daher führt dies
nicht zu einer hinreichenden Korrektur.
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Im
einzelnen ist für
die Videokamera oder digitale Standbild-Kamera infolge des Umstandes, dass die Bildgröße des Sensors,
wie etwa der CCD, kleiner als die Bildgröße für den Silberhalogenidfilm ist,
für den
gleichen Bildwinkel die äquivalente
Brennweite kürzer,
und die Verschiebungs-Linseneinheit
muss sich um eine kürzere
Strecke Δ bewegen,
um den gleichen Winkel zu korrigieren.
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Wenn
von daher die Präzisionsgenauigkeit
des Operationsmechanismus in der gleichen Größenordnung liegt, führt dies
dazu, dass der Mangel der Korrektur relativ groß wird.
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Wenn
andererseits die Dezentrierungs-Sensitivität TS zu klein ist, wird der
erforderliche Umfang zum Steuern der Bewegung der Linseneinheit
zur Verschiebung groß,
und der Aktuator oder eine ähnliche
Antriebseinrichtung zum Bewegen der Linseneinheit zur Verschiebung
wird ebenso groß.
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In
der vorliegenden Ausführungsform
ist die Strahlbrechkraftanordnung der Linseneinheiten geeignet ausgeführt, um
die Dezentrierungs-Sensitivität
TS der dritten Linseneinheit bei einem geeigneten Wert festzulegen,
wodurch ein optisches System erreicht wird, welches zum Stabilisieren
des Bildes infolge der Steuertoleranz des Mechanismus weniger mangelhaft
zu korrigieren ist, und welches der Antriebseinrichtung, wie etwa dem
Aktuator, eine niedrigere Belastung auferlegt.
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In
der vorliegenden Ausführungsform
besteht die dritte Linseneinheit aus einer positiven Linse L31, deren
beide Linsenoberflächen
konvex sind, einer negativen Linse L32 mit Meniskusform, die eine
stark konkave in Richtung der Bildseite schauende Fläche aufweist,
sowie einer positiven Linse L33 mit Meniskusform, die in Richtung
der Objektseite konvex ausgeführt
ist, welche in dieser Reihenfolge von der Objektseite angeordnet
sind.
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In
den jeweils in der 2 und der 3A gezeigten
numerischen Beispielen 1 und 2 sind die vordere Fläche (an
der Objektseite) der positiven Linse L31 und die hintere Fläche (an
der Bildseite) der positiven Linse L33 in asphärischen Formgebungen ausgebildet.
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Indem
die negative Linse mit einer konkav in Richtung der Bildseite ausgebildeten
Meniskusform verwendet wird, nimmt die dritte Linseneinheit insgesamt
die Telephoto-Gestalt an. Demgemäss
ist die Entfernung zwischen den Hauptpunkten der zweiten und dritten
Linseneinheit verkürzt,
wodurch eine Verkürzung
der Gesamtlänge
des optischen Systems erreicht wird.
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In
einem Fall, wenn solch eine negative Meniskuslinse eingeführt wird,
erzeugen ihre Oberflächen
eine positive Distortion bzw. Bildverzerrung.
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Nun
sei vorausgesetzt, dass die dritte Linseneinheit insgesamt eine
positive Distortion aufweist und dass, wie in 3A gezeigt,
zum Zwecke der Stabilisierung eines Bildes die dritte Linseneinheit
insgesamt nach oben bewegt wurde. Zu dieser Zeit läuft ein
außeraxialer
Lichtstrahl, der sich zu einem Punkt S1 bewegt, durch die dritte
Linseneinheit bei einer niedrigeren Höhe. Somit nimmt die positive
Distortion ab. Für
einen anderen außeraxialen
Lichtstrahl, der sich zu einem Punkt S2 bewegt, nimmt die positive
Distortion zu. Von daher deformiert sich ein Objekt von rechtwinkliger
Formgebung, wenn es abgebildet wird, zu einem Trapez, wie es durch
die durchgezogenen Linien in der 3B angedeutet
ist.
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Wenn
im umgekehrten Fall die dritte Linseneinheit abwärts bewegt wurde, dann ist
die Deformation so, wie sie mit den gestrichelten Linien in der 3B angezeigt
ist. Wenn Vibrationen gegeben sind, ändert sich die Deformation
des Bildes. Im einzelnen erhält
der Betrachter von bewegten Bildern einen negativen Eindruck. Um
diese Deformation zu reduzieren, muss lediglich die über die
gesamte dritte Linseneinheit erzeugte Distortion vermindert werden.
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In
den numerischen Beispielen 1 und 2 ist die positive Linse L33 an
der Bildseite der negativen Meniskuslinse L32 angeordnet, und ihre
hintere Fläche
ist mit einer asphärischen
Formgebung versehen. Demgemäss
wird die Distortion in der dritten Linseneinheit korrigiert, während die
Telephoto-Gestalt beibehalten wird. Die Dezentrierungs-Distortion, die erzeugt
wird, wenn das Bild durch Verschiebung der dritten Linseneinheit stabilisiert
wird, wird von daher reduziert.
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Da
ebenso in den numerischen Beispielen 1 und 3 die Linse L31 mit einer
asphärischen
Fläche
bei der vorderen Oberfläche
versehen ist, wird in der dritten Linseneinheit die sphärische Aberration
unterdrückt, was
wiederum das Dezentrierungs-Koma bei der Stabilisierung des Bildes
herabsetzt.
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In
dem in der 4 gezeigten numerischen Beispiel
3 ist die negative Linse L32 mit der Meniskusform mit einer asphärischen
Fläche
bei der hinteren Oberfläche
versehen. Demgemäss
wird in der dritten Linseneinheit die Distortion korrigiert, während die
Telephoto-Gestalt beibehalten wird. Die Dezentrierungs-Distortion, die
erzeugt wird, wenn das Bild durch Verschiebung der dritten Linseneinheit
stabilisiert wird, wird von daher reduziert. Auch ist die Linse
L31 mit einer asphärischen
Fläche
bei der vorderen Oberfläche
versehen, um innerhalb der dritten Linseneinheit die sphärische Aberration
und Koma zu unterdrücken.
Das Dezentrierungs-Koma wird von daher beim Stabilisieren des Bildes
reduziert.
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Die
obig beschriebenen Merkmale realisieren, wenn sie umgesetzt werden,
das variable optische Vergrößerungssystem,
welches die erfindungsgemäße Bild-Stabilisierungsfunktion
aufweist. Um das optische Leistungsvermögen weiter zu verbessern, während nach
wie vor die Verkürzung
der Gesamtlänge
des optischen Systems beibehalten wird, ist es bevorzugt, dass zumindest
eine der nachfolgenden Bedingungen erfüllt ist.
- (i-1)
Die Brennweite f3n der negativen Linse L32 liegt im Hinblick auf
die Brennweite f3 der dritten Linseneinheit in dem nachfolgenden
Bereich: 1,0 < |f3n/f3| < 1,6 (1)
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Die
Ungleichungen der Bedingung (1) haben das Ziel, die dritte Linseneinheit
in dem Telephoto-Typ aufzustellen, um dadurch eine kompakte Form
der Gesamtheit des optischen Systems zu erzielen. Wenn die untere
Grenze der Bedingung (1) überschritten
wird, was bedeutet, dass in der dritten Linseneinheit die Strahlbrechkraft
der negativen Linse L32 zu stark ist, ist es einfacher, die Gesamtlänge des
optischen Systems zu verkürzen,
jedoch nimmt die Petzval-Summe im negativen Sinne zu, so dass es
schwierig ist, die Feldkrümmung
zu korrigieren. Wenn im umgekehrten Fall die obere Grenze überschritten
wird, wird die Gesamtlänge des
optischen Systems nicht hinreichend verkürzt gelassen.
- (i-2) Die Brennweite f3 der dritten Linseneinheit liegt im Hinblick
auf die Brennweite fW bei dem Weitwinkel-Ende des gesamten optischen
Systems in dem nachfolgenden Bereich: 2,3 < f3/fW < 4,0 (2)
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Die
Ungleichungen der Bedingung (2) haben das Ziel, einen guten Kompromiss
zwischen der Verkürzung
der Gesamtlänge
des optischen Systems und der geeigneten Dezentrierungs-Sensitivität der Verschiebungs-Linseneinheit
zu erzielen, wodurch beim Stabilisieren des Bildes eine gute Leistungsfähigkeit
beibehalten wird. Wenn die Strahlbrechkraft der dritten Linseneinheit
zu stark ist, wie es beim Überschreiten
der unteren Grenze der Bedingung (2) der Fall ist, wird die Dezentrierungs-Sensitivität der Verschiebungs-Linseneinheit
in unangemessener Weise hoch. Somit muss die Präzisionsgenauigkeit des Operationsmechanismus strenger
ausgeführt
sein. Andererseits würde
das Missverhältnis
der Korrektur beim Stabilisieren des Bildes groß bleiben. Wenn im umgekehrten
Fall die Strahlbrechkraft der dritten Linseneinheit über die
obere Grenze hinweg abgeschwächt
wird, nimmt in einigen Fällen
der Verschiebungsbetrag der dritten Linseneinheit zum Stabilisieren
des Bildes außerordentlich
zu. In anderen Fällen
nimmt die Gesamtlänge
des optischen Systems in unangenehmer Weise zu.
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(i-3)
Die Brennweite f2 der zweiten Linseneinheit liegt in dem folgenden
Bereich: 0,23 < |f2/√fW·fT| < 0,35 (3) wobei fW
und fT jeweils die Brennweiten bei dem Weitwinkel-Ende und dem Tele-Ende
des gesamten optischen Systems sind.
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Wenn
die untere Grenze der Bedingung (3) überschritten wird, was bedeutet,
dass die Brennweite der zweiten Linseneinheit zu stark ist, ist
die Gesamtlänge
des optischen Systems auf einfache Weise zu verkürzen, jedoch wird es für eine gute
Stabilität über den
gesamten Zoom-Bereich in unangenehmer Weise schwierig, die Feldkrümmung und
Distortion zu korrigieren. Wenn die Strahlbrechkraft der zweiten
Linseneinheit zu schwach über
die obere Grenze der Bedingung (3) ist, nimmt für das vorgegebene Zoom-Verhältnis die
erforderliche Bewegung der zweiten Linseneinheit übermäßig stark
zu.
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Um
sicherzustellen, dass ein Kompensationswinkel groß genug
ist, um das Bild in den meisten Situationen derart zu stabilisieren,
dass das optische Leistungsvermögen über den
gesamten Bereich der Kompensationswinkel stabil beibehalten wird,
ist es für
das erfindungsgemäße optische
Bild-Stabilisierungssystem
bevorzugt, dass die nachfolgende Bedingung erfüllt ist:
wobei Dm die mögliche maximale
Bewegung der dritten Linseneinheit beim Stabilisieren des Bildes
ist, und wobei β3t
und β4t
die paraxialen Seiten-Verstärkungen
jeweils bei dem Tele-Ende der dritten Linseneinheit und der vierten
Linseneinheit sind.
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Wenn
die untere Grenze der Bedingung (4) überschritten wird, wird der
Kompensationswinkel zum Stabilisieren des Bildes klein, so dass
der Bild-Stabilisierungseffekt klein wird.
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Wenn
die obere Grenze überschritten
wird, bewirkt die Stabilisierung des Bildes eine Verschlechterung des
optischen Vermögens
sowie eine deutliche Veränderung
der Lichtmenge.
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Als
nächstes
werden in den nachfolgenden Tabellen numerische Beispiele 1 bis
3 der Erfindung mit den numerischen Daten gezeigt, wobei Ri der
Krümmungsradius
der i-ten Linsenfläche
ist, wenn von der Objektseite gezählt wird, Di die Dicke der
i-ten Linse oder des Luftzwischenraumes ist, wenn von der Objektseite gezählt wird,
und wobei Ni und νi
jeweils der Strahlbrechungsindex und die Abbe-Zahl des Glases des
i-ten Linsenelementes sind, wenn von der Objektseite gezählt wird.
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In
der Tabelle 1 sind die Werte der Faktoren in den zuvor beschriebenen
Bedingungen (1) bis (4) für die
numerischen Beispiele 1 bis 3 aufgeführt.
-
In
Koordinaten ausgedrückt,
in denen eine X-Achse in der axialen Richtung und eine H-Achse in
der Richtung senkrecht zu der optischen Achse verlaufen, und wobei
die Richtung, in welcher sich das Licht ausbreitet, als positive
Richtung angenommen wird, wird die Formgebung der asphärischen
Fläche
mit der nachfolgenden Gleichung beschrieben:
wobei R der Radius der oskulierenden
Sphäre
ist und wobei A, B, C D und E die asphärischen Koeffizienten sind.
Die Werte der asphärischen
Koeffizienten sind ebenso tabelliert, wobei die Bezeichnung „e-0x" 10
–x bedeutet.
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Asphärische Koeffizienten
-
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Asphärische Koeffizienten
-
Die
maximale Bewegung der dritten Linseneinheit: 0,150
-
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Asphärische Koeffizienten
-
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Die
maximale Bewegung der dritten Linseneinheit: 0,250
-
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Von
dem Vorangehenden ist ersichtlich, dass gemäß der Erfindung, wenn sie in
dem variablen optischen Vergrößerungssystem
eingesetzt wird, in welchem sich eine Linseneinheit mit relativ
geringen Ausmaßen
und geringem Gewicht in die Richtung senkrecht zu der optischen
Achse bewegt, um die Verwackelung des Bildes zu kompensieren, wenn
das variable optische Vergrößerungssystem
vibriert (kippelt), die geeigneten Auslegungsregeln für die Konstruktion
und Anordnung der begründenden
Linsen von dieser Linseneinheit ausgeführt sind. Dieses bringt viele
Vorteile bei der Verbesserung der kompakten Form des Gehäuses für das gesamte
optische System, Vereinfachungen hinsichtlich der Struktur des Betriebsmechanismus
und Reduzierungen der Last auf die Antriebseinrichtung, während es
nach wie vor gestattet ist, dass die Dezentrierungs-Aberrationen über den
gesamten Verschiebungsbereich stabil bei einem Minimalwert gehalten
werden. Von daher wird ein variables optisches Vergrößerungssystem
mit der Bild-Stabilisierungsfunktion erzielt, welches hinsichtlich
der Dezentrierungs-Aberrationen gut korrigiert ist.
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Von
dem Vorangehenden ist ersichtlich, dass gemäß der Erfindung, wenn sie in
dem variablen optischen Vergrößerungssystem
eingesetzt wird, in welchem sich eine Linseneinheit mit relativ
geringen Ausmaßen
und geringem Gewicht in die Richtung senkrecht zu der optischen
Achse bewegt, um die Verwackelung des Bildes zu kompensieren, wenn
das variable optische Vergrößerungssystem
vibriert (kippelt), die geeigneten Auslegungsregeln für die Konstruktion
und Anordnung der begründenden
Linsen von dieser Linseneinheit ausgeführt sind. Dieses bringt viele
Vorteile bei der Verbesserung der kompakten Form des gesamten optischen
Systems, Vereinfachungen hinsichtlich der Struktur des Betriebsmechanismus
und Reduzierungen der Last auf die Antriebseinrichtung, während es
nach wie vor gestattet ist, dass die Dezentrierungs-Aberrationen über den
gesamten Verschiebungsbereich stabil bei einem Minimalwert gehalten
werden. Von daher wird ein variables optisches Vergrößerungssystem
mit der Bild-Stabilisierungsfunktion erzielt, welches hinsichtlich
der Dezentrierungs-Aberrationen gut korrigiert ist.
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Ein
variables optisches Vergrößerungssystem
mit einer Bild-Stabilisierungsfunktion
weist in der Reihenfolge von einer Objektseite zu einer Bildseite
folgendes auf: eine feste erste Linseneinheit mit positiver Strahlbrechkraft,
eine zweite Linseneinheit mit negativer Strahlbrechkraft, eine dritte
Linseneinheit mit positiver Strahlbrechkraft sowie eine vierte Linseneinheit
mit positiver Strahlbrechkraft. Die zweite Linseneinheit und die vierte
Linseneinheit werden bewegt, um eine Variation der Verstärkung zu
bewirken. Die dritte Linseneinheit weist eine negative Linse mit
einer konkav in Richtung der Bildseite ausgebildeten Meniskusform,
sowie eine asphärische
Fläche
auf, und die dritte Linseneinheit ist in einer Richtung senkrecht
zu einer optischen Achse bewegbar, um ein Bild zu stabilisieren,
oder eine Linsen-Untereinheit, die einen Teil der dritten Linseneinheit begründet, ist
in der Richtung senkrecht zu der optischen Achse bewegbar, um ein
Bild zu stabilisieren.
