DE69903220T2

DE69903220T2 - Zoomobjektiv

Info

Publication number: DE69903220T2
Application number: DE69903220T
Authority: DE
Inventors: Jun Hosoya; Ryuji Nurishi
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1998-06-22
Filing date: 1999-06-21
Publication date: 2003-02-27
Anticipated expiration: 2019-06-22
Also published as: JP2000009998A; DE69903220D1; EP0967506A2; ES2185274T3; US6141157A; EP0967506B1; JP3957883B2; EP0967506A3

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Zoomlinse und insbesondere auf eine sog. Vier-Einheiten-Zoomlinse, die in geeigneter Weise eine dünne Lage aus Harz bei einigen Linsenflächen bei dem Linsensystem verwendet, um dadurch verschiedene Aberrationen gut zu korrigieren, und die eine große Apertur mit einer F-Zahl von ungefähr 1,7 an dem Weitwinkelende hat und darüber hinaus einen weiten Betrachtungswinkel (Betrachtungswinkel bei dem Weitwinkelende 2ω = 58º bis 70º) hat und eine gute optische Leistung über den gesamten variablen Brechungsbereich eines variablen Brechungsverhältnisses (Zoomverhältnis) in einer Höhe von ungefähr 12 bis 35 hat, und die somit für eine TV-Kamera, eine Photokamera, eine Videokamera und dergleichen geeignet ist.

Zugehöriger Stand der Technik

Zoomlinsen mit einer großen Apertur, einer hohen variablen Brechung und darüber hinaus einer hohen optischen Leistung sind bislang für TV-Kameras, Photokameras, Videokameras und dergleichen erforderlich gewesen.
Zusätzlich dazu hat insbesondere bei Farb-TV-Kameras für das Fernsehen das Betriebsvermögen und die Mobilität an Bedeutung gewonnen und im Ansprechen auf ein derartiges Erfordernis ist eine kompakte CCD (Massivzustandsbildaufnahmevorrichtung) von 2/3-Zoll oder ¹/&sub2;-Zoll die Hauptrichtung als eine Bildaufnahmevorrichtung geworden.
Bei dieser CCD hat der gesamte Bildaufnahmebereich eine im Wesentlichen gleichförmige Auflösung und daher ist es für eine diese verwendende Zoomlinse erforderlich, dass die verschiedenen Aberrationen von der Mitte des Bildfeldes zu dem Rand des Bildfeldes gut korrigiert sind und die Auflösung im Wesentlichen gleichmäßig ist.
Beispielsweise ist es bei einer TV-Zoomlinse erwünscht, dass die verschiedenen Aberrationen und insbesondere der Astigmatismus, die Distorsion und die chromatische Aberration der Vergrößerung gut korrigiert sind und das gesamte Bildfeld eine hohe optische Leistung hat. Es ist des weiteren erwünscht, dass die TV- Zoomlinse eine große Apertur, einen weiten Sichtwinkel und ein hohes variables Brechungsverhältnis hat und darüber hinaus das gesamte Linsensystem kompakt ist, ein geringes Gewicht hat und eine lange hintere Schnittweite (Fokussierlänge) hat, damit ein Farbauflösungsoptiksystem und verschiedene Filter vor einer Bildaufnahmeeinrichtung angeordnet werden können.
Von den Zoomlinsen kann eine sog. Vier-Einheitenzoomlinse, die in Aufeinanderfolge von der Objektseite aus folgendes aufweist eine erste Objektiveinheit mit positiver Brechkraft, die während des Zoomens fixiert ist, eine zweite Objektiveinheit mit negativer Brechkraft für das Zoomen, eine dritte Objektiveinheit zum Korrigieren der Schwankung der Bildebene, die sich aus dem Zoomen ergibt und eine fixierte vierte Objektiveinheit mit positiver Brechkraft zum Abbilden, relativ leicht ein hohes variables Brechungsverhältnis und eine große Apertur erhalten, und daher wird diese häufig als eine Zoomlinse für eine Farb-TV- Kamera für das Fernsehen verwendet.
Von den Vier-Einheiten-Zoomlinsen wurde eine Vier-Einheiten- Zoomlinse mit einer F-Zahl in der Größenordnung von 1,6 bis 1,9, einem großen Aperturverhältnis und einer hohen variablen Leistung mit einem variablen Leistungsverhältnis in der Größenordnung von 13 beispielsweise in der offen gelegten japanischen Patentanmeldung Nr. 54-127 322 vorgeschlagen.
Bei einer Zoomlinse ist es zum Erzielen eines großen Aperturverhältnisses (F-Zahl 1,7 bis 1,8) und eines hohen variablen Leistungsverhältnisses (variables Leistungsverhältnis 12 bis 35) und eines weiten Sichtwinkels (Sichtwinkel an dem Weitwinkelende: 2ω = 58º bis 70º) und darüber hinaus einer hohen optischen Leistung über den gesamten variablen Brechungsbereich erforderlich, die Leistungsleistung und den Linsenaufbau von jeder Objektiveinheit geeignet einzustellen.
Im Allgemeinen ist es zum Erzielen einer hohen optischen Leistung, bei der eine Aberrationsschwankung über den gesamten variablen Leistungsbereich gering ist, erforderlich, beispielsweise die Anzahl an Linsen bei jeder Objektiveinheit zu erhöhen, um dadurch den Freiheitsgrad bei der Gestaltung für die Aberrationskorrektur zu erhöhen.
Daher wird bei einem Versuch zum Erzielen einer Zoomlinse mit einem großen Aperturverhältnis und einem weiten Winkel und auch einem hohen variablen Leistungsverhältnis die Anzahl an Linsen zwangsweise erhöht und dadurch tritt ein Problem dahingehend auf, dass das gesamte Linsensystem sperrig wird und somit es nicht möglich wird, dem Wunsch an einer Kompaktheit und an einem geringen Gewicht nachzukommen.
Was den breiteren Winkel einer Zoomlinse anbelangt, so wird die Korrektur der chromatischen Aberration der Vergrößerung von den verschiedenen die Bildleistung beeinflussenden Aberrationen gegenwärtig das wichtigste Problem. Dies ist so, weil die chromatische Aberration der Vergrößerung beeinflusst wird durch die Tangente des Sichtwinkels in dem Bereich eines Primärchromatikaberrationskoeffizienten.
Die Fig. 14 bis 17 der beigefügten Zeichnungen zeigen die optischen Bahnen einer herkömmlichen Vier-Einheiten-Zoomlinse (Fokussierlänge = 8,5 mm an dem Weitwinkelende (maximaler Weitwinkelzustand), variables Leistungsverhältnis = 15 Mal) an dem Weitwinkelende (maximaler Weitwinkelzustand) zu dem Telephotoende (maximaler Telephotozustand) von ihr. Fig. 14 zeigt das Weitwinkelende (Fokussierlänge fw), Fig. 15 zeigt die mittlere Fokussierlänge fm (= fw · 21/4), wenn das Zoomverhältnis Z beträgt, Fig. 16 zeigt die F-Abfall-(F-drop)-Fokussieriänge fd, für die die F-Zahl verringert wird, und Fig. 17 zeigt das Telephotoende.
Außerdem zeigt Fig. 13 der beigefügten Zeichnungen die Änderungen bei der chromatischen Aberration der Vergrößerung der gleichen Zoomlinse, die sich aus einer Änderung der Fokussierlänge ergeben. In Fig. 13 sind vier Zoompositionen gezeigt, das heißt das Weitwinkelende (fw), die Mitte fm (fw · Z1/4), die F-Abfall-Fokussierlänge fd und das Telephotoende ft. Wie dies in Fig. 13 gezeigt ist, ist die chromatische Aberration der Vergrößerung außerordentlich positiv als das gesamte Bildfeld an dem Weitwinkelende (Fokussierlänge fw). Von dem Weitwinkelende fw zu der Mitte fm, der F-Abfall-Fokussierlänge fd und dem Telephotoende (Fokussierlänge fd) hin ändert sie sich nacheinander in die Minus-Richtung. Zu diesem Zeitpunkt passiert die chromatische Aberration der Vergrößerung die Null-Zoom- Position und an dem Telephotoende wird der Minuswert der größte bei dem gesamten Bildfeld. Außerdem hat die chromatische Aberration der Vergrößerung an der Weitwinkelseite eine kurvenartige Änderung für den Sichtwinkel, und die g-Linie ändert sich zu der Minus-Seite hin in der Nähe des maximalen Sichtwinkels für die e-Linie (Referenzwellenlinie).
Dem gemäß wird an der Weitwinkelseite die chromatische Aberration der Vergrößerung bei einem bestimmten mittleren Sichtwinkel ausgeglichen, wird der Betrag der Separation der g- Linie groß und wird eine blaue Reflexionsfleck-(Flare)- Komponente in ihr, und der Separationsbetrag der c-Linie wird groß und wird zu einer roten Reflexionsfleck-Komponente außerhalb von ihr. Diese Neigung wird besonders bemerkbar, wenn die Kleinergestaltung, ein breiterer Winkel und eine höhere Vergrößerung angestrebt werden, und es wird schwierig, eine im Wesentlichen gleichmäßige Bildqualität bei dem gesamten Bildfeld zu erzielen.
Nachstehend ist der Mechanismus beschrieben, durch den die vorstehend beschriebene chromatische Aberration der Vergrößerung in hoher Ordnung bei der Weitwinkelseite auftritt.
Wie dies in Fig. 17 gezeigt ist, tritt bei einer ersten Objektiveinheit F ein an der Achse befindlicher Randstrahl R1 an der höchsten Position an dem Telephotoende vorbei und daher ist es erforderlich, die Erzeugung einer sphärischen Aberration und einer chromatischen Aberration an der Achse bei der ersten Objektiveinheit F in ausreichender Weise zu unterdrücken. Dem gemäß greift bei einer Zoomlinse mit einer hohen Vergrößerung mit einem Sichtwinkel 20 = 58º bis 70º an dem Weitwinkelende und einem variablen Brechungsverhältnis in der Größenordnung von 12 bis 35 die erste Objektiveinheit F im Allgemeinen einen Aufbau auf, bei dem eine aus einem Material mit einer geringen Abbe- Zahl ausgebildete negative Linse an der Objektseite angeordnet ist und eine Vielzahl an positiven Linsen, die ein Material mit einer großen Abbe-Zahl und einer großen Anormalitätsdispersionseigenschaft haben, an der Bildseite angeordnet sind.
Wie dies in den Fig. 14 und 15 gezeigt ist, passiert an der Weitwinkelseite ein Außer-Achse-Lichtstrahlbündel eine hohe Position bei der ersten Objektiveinheit F, springt er durch die Negativlinse G1 nach unten und springt er durch die positiven Linsen G2 bis G5 nach oben. Die negative Linse G1 hat ein Material mit einer geringen Abbe-Zahl und daher nimmt das Herunterspringen an kurzen Wellenlängenseite von ihr plötzlich in der Nähe des größten Sichtperipheriewinkels zu, wohingegen die positiven Linsen G2 bis G5 ein Material mit einer großen Abbe-Zahl haben und eine große Anormalitätsdispersionseigenschaft haben, und daher ist das Herauf springen an der kurzen Wellenlängenseite unzureichend. Als ein Ergebnis tritt gemäß Fig. 13 an der Weitwinkelseite eine g- Linie in der Nähe des größten Sichtperipheriewinkels als eine chromatische Aberration der Vergrößerung einer hohen Ordnung auf, die sich plötzlich ins Minus ändert. Wenn zum Zwecke einer kleinen Gestaltung die Brechkraft der ersten Objektiveinheit F als ein Reduktionssystem gestärkt wird, wird diese Neigung noch stärker bemerkbar, da die Brechkraft der vorstehend erwähnten negativen Linse und der vorstehend erwähnten positiven Linsen stärker wird.
Als eine Einrichtung zum Mindern einer derartigen chromatischen Aberration der Vergrößerung in hoher Ordnung kann ein Hinzufügen bei Fig. 14 von einer negativen Linse, die mit einem Material mit einer hohen Abbe-Zahl ausgebildet ist, zu der Nähe einer positiven Linse G2 erwähnt werden, bei der die Einfallhöhe h2 eines außerhalb der Achse befindlichen Lichtstrahlbündels groß ist, so dass er dazu gebracht wird, dass er den Achromatismus teilt, und die Erzeugung einer Komponente in hohe Ordnung unterdrückt wird. Wenn außerdem eine aus einem Material mit einer hohen Abbe-Zahl ausgebildete negative Linse der Nähe der positiven Linsen G2 bis G5 hinzugefügt wird, die eine Fokussierlänge fm bei dem variablen Brechungsverhältnis Z1/4 von Fig. 5 haben, und bei der die Einfallhöhe h2 des außerhalb der Achse befindlichen Lichtstrahlbündels plötzlich zunimmt, nimmt das Herunterspringen durch die vorstehend erwähnte negative Linse von dem Weitwinkelende zu der Fokussierlänge fm bei dem variablen Brechungsverhältnis Z1/4 zu, und daher kann zusätzlich zu der Minderung der Komponente in hoher Ordnung durch das Teilen des Achromatismus die Schwankung der chromatischen Aberration der Vergrößerung von dem Weitwinkelende zu der Fokussierlänge fm bei dem variablen Brechungsverhältnis Z1/4 zu der Minus-Seite und die Schwankung der Distorsion, zu der Plus- Seite gemindert werden. Des weiteren kann, wenn die vorstehend erwähnte hinzugefügte negative Linse zu einer Meniskusform, die zu der Objektseite hin konkav ist, ausgebildet ist, eine chromatische Aberration der Vergrößerung in hoher Ordnung wirkungsvoller aufgrund des Heraufspringeffektes des außerhalb der Achse befindlichen Lichtstrahlbündels durch die Bildseitenkonvexfläche der vorstehend erwähnten negativen Linse korrigiert werden.
Jedoch besteht das Problem, dass das Hinzufügen der negativen Linse die Gesamtlänge der ersten Objektiveinheit F erhöht und dem gemäß den effektiven Durchmesser der ersten Objektiveinheit F erhöht, und dies zu einer Sperrigkeit der Zoomlinse führt.
Die Dokumente US 5 543 970 und EP 773 460 beschreiben Zoomlinsen mit Vier-Linsen-Einheiten, wobei eine Linsenfläche der ersten Einheit mit einer dünnen Harzlage versehen ist.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine sog. Vier- Einheiten-Zoomlinse zu schaffen, bei der der Linsenaufbau einer ersten Objektiveinheit geeignet eingestellt wird und zumindest eine Linsenfläche der ersten Objektiveinheit in geeigneter Weise mit einer dünnen Harzlage versehen ist, um dadurch die Schwankungen der verschiedenen Aberrationen, die sich aus der Änderung der Fokussierlänge ergeben, zu verringern, ohne eine Sperrigkeit und ein erhöhtes Gewicht der Zoomlinse zu bewirken, und die chromatische Aberration der Vergrößerung der hohen Ordnung insbesondere an der Weitwinkelseite gut zu korrigieren, und die eine hohe optische Leistung über den gesamten variablen Brechungsbereich hat.
Es ist ebenfalls eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Zoomlinse mit einer F-Zahl in der Größenordnung von 1,7 an dem Weitwinkelende und einem weiten Winkel (Sichtwinkel 2ω = ungefähr 58º bis 70º an dem Weitwinkelende) und auch einem großen Aperturverhältnis und einem hohen variablen Brechungsverhältnis mit einem variablen Brechungsverhältnis in der Größenordnung von 12 bis 35 zu schaffen.
Die Zoomlinse der vorliegenden Erfindung ist eine Zoomlinse, die in Aufeinanderfolge von der Objektseite aus folgendes aufweist: eine erste Objektiveinheit mit positiver Brechkraft, die während des Zoomens fixiert ist, eine zweite Objektiveinheit mit negativer Brechkraft für das Zoomen, eine dritte Objektiveinheit zum Korrigieren der Schwankung der Bildebene, die sich aus dem Zoomen ergibt und eine fixierte vierte Objektiveinheit mit positiver Brechkraft, wobei sie dadurch gekennzeichnet ist, dass die erste Objektiveinheit in Aufeinanderfolge von der Objektseite aus folgendes aufweist: zumindest eine negative Linse und eine Vielzahl an positiven Linsen, zumindest eine positive Linse LP der ersten Objektiveinheit, die mit einer dünnen Harzlage versehen ist, und, wenn die Abbe-Zahl des Materials der positiven Linse LP als νp definiert ist und die Abbe-Zahl des Materials des Harzes als νr definiert ist, wobei die dünne Harzlage erfüllt:
νp - νr > 12 (1)
und wenn der Krümmungsradius einer sphärischen Referen.zf lache der dünnen Lage des Harzes, die benachbart zu der Objektseite ist, als rla definiert ist und der Krümmungsradius einer sphärischen Referenzfläche der dünnen Lage des Harzes, die benachbart zu der Bildseite ist, als r2a definiert ist und der Brechungsindex des Materials des Harzes als N definiert ist und die Brechkraft der ersten Objektiveinheit als φl definiert ist, wobei die dünne Harzlage erfüllt:
φ/φ1 < -0,1 (2)
wobei gilt
φ = (N - 1)(1/r1a - 1/r2a).
Mit "sphärische Referenzfläche" ist hiermit eine sphärische Fläche gemeint, die derart definiert ist, dass ein Abschnitt an dem effektiven Durchmesser einer betreffenden Fläche und ein Abschnitt an der optischen Achse mit jenen der betreffenden Fläche übereinstimmen.
Die Zoomlinse der vorliegenden Erfindung ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass, wenn der maximale effektive Radius der positiven Linse LR als hmax definiert ist und die maximale Einfallhöhe eines Außer-Achse-Lichtstrahls mit einem maximalen Betrachtungswinkel bei dem Weitwinkelende als hw definiert ist und das variable Brechungsverhältnis (Zoomverhältnis) als Z definiert ist, und die Fokussierlänge des Weitwinkelendes als fw definiert ist und die maximale Einfallhöhe eines Außer-Achse- Lichtstrahls eines maximalen Betrachtungswinkels bei einer Fokussierlänge fm (= fw · Z¹/&sub4;) als hz definiert ist, wobei die positive Linse LR erfüllt:
hw/hmax > 0,7 (3)
oder
hz/hmax > 0,7 (4)

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 zeigt eine Linsenquerschnittsansicht des Weitwinkelendes bei einem numerischen Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 zeigt eine Linsenquerschnittsansicht des Weitwinkelendes bei einem numerischen Ausführungsbeispiel 2 der vorliegenden Erfindung.
Fig. 3 zeigt die Aberrationen bei dem numerischen Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung bei einer Fokussierlänge f = 8,5.
Fig. 4 zeigt die Aberrationen bei dem numerischen Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung bei der Fokussierlänge f = 17,0.
Fig. 5 zeigt die Aberrationen bei dem numerischen Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung bei der Fokussierlänge f = = 34,0.
Fig. 6 zeigt die Aberrationen bei dem numerischen Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung bei der Fokussierlänge f = 102,9.
Fig. 7 zeigt die Aberrationen bei dem numerischen Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung bei der Fokussierlänge f = 127,5.
Fig. 8 zeigt die Aberrationen bei dem numerischen Ausführungsbeispiel 2 der vorliegenden Erfindung bei der Fokussierlänge f = = 8,5.
Fig. 9 zeigt die Aberrationen bei dem numerischen Ausführungsbeispiel 2 der vorliegenden Erfindung bei der Fokussierlänge f = 17,0.
Fig. 10 zeigt die Aberrationen bei dem numerischen Ausführungsbeispiel 2 der vorliegenden Erfindung bei der Fokussierlänge f = 34,0.
Fig. 11 zeigt die Aberrationen bei dem numerischen Ausführungsbeispiel 2 der vorliegenden Erfindung bei der Fokussierlänge f = 110,5.
Fig. 12 zeigt die Aberrationen bei dem numerischen Ausführungsbeispiel 2 der vorliegenden Erfindung bei der Fokussierlänge f = 153,0.
Fig. 13 zeigt die Zoomänderungen der chromatischen Aberration der Vergrößerung bei einer herkömmlichen Vier-Einheiten- Zoomlinse.
Fig. 14 zeigt die optische Bahn eines Abschnittes der herkömmlichen Vier-Einheiten-Zoomlinse.
Fig. 15 zeigt die optische Bahn...
Fig. 16 zeigt die optische Bahn...
Fig. 17 zeigt die optische Bahn...

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Die Fig. 1 und 2 zeigen Linsenquerschnittsansichten der Ausführungsbeispiele 1 und 2 der vorliegenden Erfindung an ihren Weitwinkelenden.
In den Fig. 1 und 2 ist mit dem Bezugszeichen F eine Fokussierobjektiveinheit (eine Vorobjektiveinheit) mit einer positiven Brechkraft als eine erste Objektiveinheit bezeichnet. Mit dem Bezugszeichen V ist ein Variator mit einer negativen Brechkraft zum Zoomen als eine zweite Objektiveinheit bezeichnet, der monoton an seiner optischen Achse zu der Bildebenenseite bewegt wird, um dadurch ein Zoomen von dem Weitwinkelende (maximaler Weitwinkelzustand) zu dem Telephotoende (maximaler Telephotozustand) zu bewirken. Mit dem Bezugszeichen C ist ein Kompensator mit einer negativen Brechkraft als eine dritte Objektiveinheit bezeichnet, der nicht geradlinig an der optischen Achse bei einem Ort, der zu der Objektseite hin konvex ist, bewegt wird, um die sich aus der Änderung der Fokussierlänge ergebenden Schwankungen der Bildebene zu korrigieren. Die dritte Objektiveinheit C kann mit einer positiven Brechkraft aufgebaut sein. Der Variator und der Kompensator C bilden miteinander ein Fokussierlängenänderungssystem (Zoomsystem).
Mit dem Bezugszeichen SP ist eine Blende bezeichnet und mit dem Bezugszeichen R ist eine feststehende Übertragungsobjektiveinheit mit einer positiven Brechkraft als eine vierte Objektiveinheit bezeichnet. Mit dem Bezugszeichen B ist ein Farbauflösungsprisma, ein optischer Filter oder dergleichen bezeichnet, welcher in den Fig. 1 und 2 als ein Glasblock gezeigt ist.
Bei dem numerischen Ausführungsbeispiel 1 von Fig. 1 ist eine dünne Lage X aus Harz an jener Linsenfläche einer zweiten positiven Linse G2 vorgesehen, die beide konvexe Linsenfläche bei der ersten Objektiveinheit F hat, die benachbart zu der Bildebene ist. Bei dem numerischen Ausführungsbeispiel 2 von Fig. 2 ist eine dünne Lage X aus Harz an jener Linsenfläche einer dritten positiven Linse G3 vorgesehen, die beide konvexe Linsenflächen bei der ersten Objektiveinheit F hat, die benachbart zu der Bildebene ist.
Nachstehend sind die Merkmale der dünnen Lage X aus Harz beschrieben, die an der Linsenfläche der Zoomlinse gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel vorgesehen ist.
Bei einer Zoomlinse, bei der der Sichtwinkel an dem Weitwinkelende mit 2ω = 58º bis 70º beginnt und das Zoomverhältnis in der Größenordnung von 12 bis 35-fach ist, wird die Einfallhöhe h1 eines außerhalb der Achse befindlichen Randstrahls R1 auf die erste Objektiveinheit F von dem Weitwinkelende zu dem Telephotoende aufeinander folgend höher, wie dies in den Fig. 14 bis 17 gezeigt ist, und bei einer Zoomlinse mit einem F-Abfall, wird die Einfallhöhe h1 an der F- Abfall-Startposition (Zoompositionsfokussierlänge fd, siehe Fig. 16) am größten. Die Einfallhöhe h1 wird bei der ersten Objektiveinheit F konstant aufgrund des F-Abfalls von der Fokussierlänge fd zu dem Telephotoende.
Im Gegensatz dazu passiert die Einfallhöhe h2 eines außerhalb der Achse befindlichen Strahles (Hauptstrahl) R2 eine hohe Position vor der ersten Objektiveinheit F an dem Weitwinkelende von Fig. 14, jedoch wird bei der Zoomposition eines variablen Brechungsverhältnisses Z1/4 von Fig. 15 die Einfallhöhe plötzlich in dem gesamten Bereich der ersten Objektiveinheit F hoch. Diese Neigung wird dann bemerkbar, wenn ein breiterer Winkel, eine höhere Vergrößerung und Kompaktheit und ein geringeres Gewicht angestrebt werden.
Somit hat bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel zum Korrigieren der chromatischen Aberration der Vergrößerung, die mit der Tangente der Einfallhöhe h2 des außerhalb der Achse befindlichen Strahls R2 die erste Objektiveinheit F, bei der der außerhalb der Achse befindliche Strahl R2 beeinflusst, bei dem gesamten variablen Brechungsbereich der höchste wird, in Aufeinanderfolge von der Objektseite aus zumindest eine negative Linse und drei oder mehr positive Linsen, und eine dünne Lage X aus Harz ist an zumindest einer positiven Linsenfläche der Linsenflächen vorgesehen, die die erste Objektiveinheit F bilden, die, wenn der maximale effektive Durchmesser als hmax definiert ist und die maximale Einfallhöhe des außerhalb der Achse befindlichen Lichtstrahlbündels mit einem maximalen Betrachtungswinkel bei dem Weitwinkelende (siehe Fig. 14) als hw definiert ist und die Zoompositionsfokussierlänge bei einem variablen Brechungsverhältnis Z1/4 als fm (= fw · Z1/4) definiert ist und die Einfallhöhe des außerhalb der Achse befindlichen Lichtstrahlbündels eines maximalen Betrachtungswinkels bei Fig. 15 als h2 definiert ist, folgendes erfüllt:
0,7 > hw/hmax (3)
oder
0,7 > h2/hmax (4)
Durch die Verwendung einer mit einer derartigen dünnen Lage X aus Harz versehenen Linse (optisches Element) wird die Schwankung der chromatischen Aberration der Vergrößerung durch das Ändern der Fokussierlänge verringert und der gesamte variable Brechungsbereich wird gut korrigiert.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann als ein Verfahren zum leichten Herstellen einer Linse (optisches Element), die mit einer dünnen Lage X aus Harz versehen ist, die Technologie des Ausbildens einer asphärischen Oberfläche an der Oberfläche einer als sphärische Fläche bearbeiteten Glaslinse durch die Anwendung einer dünnen Lage aus Harz angewendet werden. Wenn diese Technologie angewendet wird, gibt das Merkmal, das die Mittendicke der dünnen Lage aus Harz sehr dünn (einige 10 um) ausgebildet werden kann.
Wie dies vorstehend beschrieben ist, wird eine dünne Lage, die mit einer geeigneten negativen Brechungskraft ausgestattet ist, durch die Verwendung von Harz ausgebildet, das eine kleine Abbe- Zahl im Verhältnis zu der positiven Linse hat, wodurch sie mit dem Effekt eines Achromatismus fast ohne ein Vergrößern der Gesamtlänge des optischen Systems ausgestattet ist. Acrylharz, Epoxidharz, Polycarbonat oder dergleichen kann als bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel verwendetes transparentes Harz angewendet werden.
Nachstehend sind die technischen Bedeutungen der vorstehend erwähnten Konditionalausdrücke (1) bis (4) beschrieben.
Der Konditionalausdruck (1) schreibt den oberen Grenzwert der Abbe-Zahl νr des Materials des Harzes durch seine Beziehung mit der Abbe-Zahl des Materials der positiven Linse vor. Außerdem schreibt der Konditionalausdruck (2) vor, dass die Brechkraft φ der dünnen Lage aus Harz negativ ist, und schreibt den oberen Grenzwert von dieser durch ihre Beziehung mit der Brechkraft φ1 der ersten Objektiveinheit vor. Wenn die Konditionalausdrücke (1) und (2) nicht erfüllt sind, wird das Teilen des Achromatismus der dünnen Lage aus Harz bei der ersten Objektiveinheit F mangelhaft und der Korrektureffekt der chromatischen Aberration der Vergrößerung wird unzureichend.
Außerdem wird die die dünne Lage des Harzes ausbildende Oberfläche zu einer Oberfläche reguliert, die zu der Objektseite hin konkav ist, wodurch eine chromatische Aberration der Vergrößerung in hoher Ordnung effektiver korrigiert wird. Außerdem ist sie bei einer Bedingung angeordnet, die den Konditionalausdruck (1) erfüllt, und die positive Distorsion wird effektiver durch eine Fokussierlänge fm in der Nähe des variablen Brechungsverhältnisses Z1/4 korrigiert.
Die Konditionalausdrücke (3) und (4) schreiben eine Position vor, an der eine dünne Lage aus Harz wirkungsvoll für eine Korrektur einer chromatischen Aberration der Vergrößerung an der Weitwinkelseite angeordnet werden soll. Indem die dünne Lage aus Harz an einer Position angeordnet wird, die den Konditionalausdruck (3) erfüllt, kann der Korrektureffekt der chromatischen Aberration der Vergrößerung in der Nähe des Weitwinkelendes maximal gestaltet werden. Wenn die dünne Lage aus Harz an einer Position angeordnet wird, die den Konditionalausdruck (4) erfüllt, kann der Korrektureffekt der chromatischen Aberration der Vergrößerung bei der Fokussierlänge fm in der Nähe des variablen Brechungsverhältnisses Z1/4 maximal gestaltet werden. Außerdem kann die positive Distorsion, die bei der Fokussierlänge fm in der Nähe des variablen Brechungsverhältnisses Z1/4 maximal wird, wirkungsvoll korrigiert werden.
Wenn einer der Konditionalausdrücke (3) und (4) nicht erfüllt ist, wird der Korrektureffekt der chromatischen Aberration der Vergrößerung an der Weitwinkelseite unzureichend.
Bei den numerischen Ausführungsbeispielen 1 und 2 hat die Objektiveinheit in Aufeinanderfolge von der Objektseite aus eine negative Linse, von der die beiden Linsenoberflächen konkave Oberflächen sind, eine positive Linse, von der die beiden Linsenoberflächen konvexe Oberflächen sind, eine positive Linse, von der die beiden Linsenoberflächen konvexe Oberflächen sind, eine positive Linse, deren konvexe Oberfläche zu der Objektseite hin gewandt ist, und eine meniskusartige positive Linse, deren konvexe Oberfläche zu der Objektseite hin gewandt ist.
Dadurch werden die verschiedenen Aberrationen gut korrigiert. Außerdem kann die dünne Lage aus Harz an einer Vielzahl an Linsenoberflächen vorgesehen sein.
Die Merkmale von jedem Ausführungsbeispiel (Ausführungsbeispiel mit numerischem Wert) der vorliegenden Erfindung sind nachstehend beschrieben.
Das in Fig. 1 gezeigte numerische Ausführungsbeispiel 1 hat ein Zoomverhältnis von 15-fach und der Betrachtungswinkel oder Sichtwinkel 20 an seinem Weitwinkelende überschreitet 65º. Die Linsenoberflächen R1 bis R11 (G1 bis G5) bilden miteinander eine Vorobjektiveinheit F zum Fokussieren mit einer positiven Brechkraft. Die Linsenflächen R12 bis R19 bilden miteinander einen Variator V, der von Wide (Weitwinkelende) bis Tele (Telephotoende) zu der Bildebenenseite hin für eine Fokussierlängenänderung monoton bewegt wird. Die Linsenoberflächen R20 bis R22 bilden miteinander einen Kompensator C, der die Wirkung einer Bildpunktkorrektur hat, die sich aus der Fokussierlängenänderung ergibt, und eine negative Leistung (Brechkraft) hat und sich während der Fokussierlängenänderung von Wide nach Tele so bewegt, dass er einen konvexen Bogen zu der Objektseite hin beschreibt. SP(23) ist eine Blende. Die Linsenoberflächen R24 bis R40 bilden miteinander eine Übertragungsobjektiveinheit R mit einer Abbildungswirkung und R41 bis R43 bilden miteinander einen Glasblock, der einem Farbauf lösungsprisma gleichwertig ist.
Die erste Objektiveinheit weist in Aufeinanderfolge von der Objektseite aus gesehen fünf Linsen auf, das heißt eine negative, eine positive, eine positive, eine positive und eine positive Linse, und diffundiert die sphärische Aberration durch die negative Linse und unterdrückt die Erzeugung einer sphärischen Aberration bei der ersten Objektiveinheit F.
Eine dünne Lage X aus Harz bei der Vorobjektiveinheit F ist an der Linsenoberfläche R4 vorgesehen. Für das Material des Harzes wird PMMA (Polymethylmethacrylatharz) verwendet.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die dünne Lage X aus Harz an der positiven Linse angeordnet, die die Konditionalausdrücke (3) und (4) erfüllt. Dem gemäß ist ihr eine geeignete negative Brechkraft verliehen und sie ist so gestaltet, dass sie einen Achromatismus teilt, um dadurch die Erzeugung einer chromatischen Aberration der Vergrößerung in hoher Ordnung bei dem Weitwinkelende zu dem Weitwinkelbereich einer Fokussierlänge in der Nähe des variablen Brechungsverhältnisses Z1/4 gemindert, und eine dünne Lage X aus Harz ist des weiteren an einer Linsenoberfläche angeordnet, die zu der Objektseite hin konkav ist, um dadurch wirkungsvoll die Komponente in hohe Ordnung der chromatischen Aberration der Vergrößerung zu korrigieren. Die Mittendicke der dünnen Lage X aus Harz ist so gering, dass sie 0,02 mm aufweist, und trägt daher kaum zu der Gesamtlänge der ersten Objektiveinheit bei. Wie dies vorstehend beschrieben ist, sind die Linsenoberflächen, die mit der dünnen Lage X aus Harz zu versehen sind, in geeigneter Weise eingesetzt, um dadurch die chromatische Aberration der Vergrößerung an der Weitwinkelseite gut zu korrigieren, ohne eine Sperrigkeit und ein vergrößertes Gewicht der Zoomlinse zu bewirken, und um eine hohe optische Leistung in dem gesamten variablen Brechungsbereich zu erzielen.
Die Werte der Konditionalausdrücke (1) bis (4) bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind nachstehend aufgeführt.
(1) νp - νr = 24,2
(2) φ/φ1 = -0,107
(3) hw/hmax = 0,871
(4) hz/hmax = 0,927
Die Fig. 3 bis 7 zeigen eine sphärische Aberration, einen Astigmatismus, eine Distorsion und eine chromatische Aberration der Vergrößerung bei jeweiligen Zoompositionen. Außerdem beträgt bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der Wert des Konditionalausdruckes (1) 24,2, jedoch kann durch die Anwendung einer Kombination aus Materialien, bei denen die Differenz bei der Dispersion zwischen einem Material der positiven Linse und einem Material des Harzes größer gestaltet wird, ein besserer Korrektureffekt in Hinblick auf die chromatische Aberration der Vergrößerung erzielt werden. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die dünne Lage X aus Harz als eine sphärische Oberfläche ausgebildet, jedoch ist es, indem sie zu einer asphärischen Oberfläche gestaltet wird, leicht, den Freiheitsgrad der Aberrationskorrektur zu erhöhen und eine weitere Leistungsverbesserung zu erzielen.
Das in Fig. 2 gezeigte numerische Ausführungsbeispiel 2 hat ein Zoomverhältnis von 18-fach und der Betrachtungswinkel oder Sichtwinkel 2ω an seinem Weitwinkelende überschreitet 65º. Die Linsenoberflächen R1 bis R11 (G1 bis G5) bilden miteinander eine Vorobjektiveinheit F zum Fokussieren mit einer positiven Brechkraft. Die Linsenoberflächen R12 bis R21 bilden miteinander einen Variator V, der von Wide (Weitwinkelende) nach Tele (Telephotoende) zu der Bildebenenseite für das Zooming monoton bewegt wird. Die Linsenoberflächen R22 bis R24 bilden miteinander einen Kompensator C mit der Wirkung einer Bildpunktkorrektur, die sich aus dem Zoomen ergibt, und der eine negative Leistung (Brechkraft) und der während des Zoomens von Wide nach Tele so bewegt wird, dass er einen zu der Objektseite hin konvexen Bogen beschreibt. SP(25) ist eine Blende. Die Linsenoberflächen R26 bis R42 bilden miteinander eine Übertragungsobjektiveinheit R, die die Abbildungswirkung hat, und die Linsenoberflächen R43 bis R45 bilden miteinander einen Glasblock, der einem Farbauf lösungsprisma gleichwertig ist.
Die erste Objektiveinheit weist in Aufeinanderfolge von der Objektseite aus gesehen fünf Linsen auf, das heißt eine negative Linse, eine positive Linse, eine positive Linse, eine positive Linse und eine positive Linse, und sie diffundiert eine sphärische Aberration durch die negative Linse und unterdrückt die Erzeugung einer sphärischen Aberration bei der ersten Objektiveinheit F.
Eine dünne Lage X aus Harz bei der Vorobjektiveinheit F ist an der Linsenoberfläche R6 vorgesehen und erfüllt den Konditionalausdruck (4). Für das Material des Harzes wird PMMA (Polymethylmethacrylatharz) verwendet.
Diese dünne Lage X aus Harz hat eine geeignete negative Brechkraft erhalten und ist so gestaltet, dass sie den Achromatismus teilt, um dadurch die chromatische Aberration der Vergrößerung in der Nähe des maximalen Betrachtungswinkels zu mindern, der sich plötzlich, nach Minus bei dem Weitwinkelbereich der Fokussierlänge fm in der Nähe des variablen Brechungsverhältnisses Z1/4 ändert, und den Rest der chromatischen Aberration der Vergrößerung gut korrigiert. Des weiteren ist bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die positive Linse, die mit der dünnen Lage X aus Harz versehen ist, derart, dass der Wert des Konditionalausdrucks (3) 0,646 beträgt, was die Bedingung nicht erfüllt, wohingegen der Wert des Konditionalausdrucks (4) 0,874 beträgt, was die Bedingung erfüllt, und von dem Weitwinkelende zu der Fokussierlänge fm des variablen Brechungsverhältnisses Z1/4 ist der außerhalb der Achse befindliche Lichtstrahlbündel an einer Position, bei der er plötzlich hoch wird. Durch das Vorsehen einer dünnen Lage X aus Harz mit einer negativen Brechkraft an einer derartigen Position wird die chromatische Aberration der Vergrößerung von dem Ändern zu der Minusseite von dem Weitwinkelende zu dem variablen Brechungsverhältnis Z1/4 gemindert. Außerdem ist die Mittendicke der dünnen Lage X aus Harz klein und beträgt 0,02 mm und trägt daher kaum zu der Gesamtlänge der ersten Objektiveinheit bei.
Wie dies vorstehend beschrieben ist, ist bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Linsenoberfläche, die mit der dünnen Lage X aus Harz zu versehen ist, in geeigneter Weise eingesetzt, um dadurch die chromatische Aberration der Vergrößerung an der Weitwinkelseite gut zu korrigieren, ohne dass eine Sperrigkeit und ein vergrößertes Gewicht der Zoomlinse bewirkt wird, und wobei dadurch eine hohe optische Leistung in dem gesamten variablen Brechungsbereich erzielt wird.
Die Werte der jeweiligen Konditionalausdrücke bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind nachstehend gezeigt.
(1) νp - νr = 24,2
(2) φ/φ1 = -0,106
(3) hw/hmax = 0,646
(4) hz/hmax = 0,874
Die Fig. 8 bis 12 zeigen eine sphärische Aberration, einen Astigmatismus, eine Distorsion und eine chromatische Aberration der Vergrößerung bei jeweiligen Zoompositionen. Ebenfalls beträgt bei diesem Ausführungsbeispiel der Wert des Konditionalausdrucks (1) 24,2, jedoch kann, indem die Differenz der Abbe-Zahl zwischen den positiven Linsen und dem Harz zu einer Kombination mit größeren Werten gestaltet wird, ein besserer Korrektureffekt der chromatischen Aberration der Vergrößerung erzielt werden. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die dünne Lage X aus Harz als eine sphärische Oberfläche ausgebildet, jedoch ist es, indem sie zu einer asphärischen Fläche gestaltet wird, leicht, den Freiheitsgrad der Aberrationskorrektur zu erhöhen und eine weitere Leistungsverbesserung zu erzielen.
Die numerischen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind nachstehend gezeigt. Bei den numerischen Ausführungsbeispielen gibt ri den Krümmungsradius der i-ten Linsenoberfläche gezählt in der Reihenfolge von der Objektseite wider, gibt di die Dicke und den Luftraum der i-ten Linse von der Objektseite wider, und geben ni und ri den Brechungsindex bzw. die Abbe-Zahl des Glases der i-ten Linse von der Objektseite für die d-Linie wider. Bei den Ausführungsbeispielen mit numerischem Wert sind die letzten drei Linsenoberflächen ein Glasblock wie beispielsweise eine Flächenplatte oder ein Filter. Ausführungsbeispiel 1 mit numerischem Wert
hmax = 36,28
hw = 31,59
hz = 33,62
r&sub1; = -161,649
r&sub2; = -317,692
Φ1 = 1/63.962 = 0,0156
(3) = hw/hmax = 0,871
(4) = hz/hmax = 0,927
(1) = 24,2
(2) = -0,107
νp = 81,6
νr = 57,4
N = 1,49375 Ausführungsbeispiel 2 mit numerischem Wert
hmax = 38,16
hw = 24,64
hz = 33,37
r&sub1; = -161,649
r&sub2; = -317,692
Φ1 = 1/70,4 = 0,0142
(3) = hw/hmax = 0,646
(4) = hz/hmax = 0,874
(1) = 24,2
(2) = -0,106
νp = 81,6
νr = 57,4
N = 1,49375
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann, wie dies vorstehend beschrieben ist, eine sog. Vier-Einheiten-Zoomlinse erzielt werden, bei der der Linsenaufbau einer ersten Objektiveinheit in geeigneter Weise eingestellt ist, und eine dünne Lage aus Harz in geeigneter Weise an zumindest einer Linsenoberfläche der ersten Objektiveinheit vorgesehen ist, um dadurch die Schwankungen der verschiedenen Aberrationen zu verringern, die von der Fokussierlängenänderung (Zoomen) herrühren, ohne eine Sperrigkeit und ein erhöhtes Gewicht der Zoomlinse zu bewirken, und um eine chromatische Aberration der Vergrößerung in hoher Ordnung insbesondere an der Weitwinkelseite gut zu korrigieren, und die eine F-Zahl in der Größenordnung von 1,7 an dem Weitwinkelende hat und einen Weitwinkel (Betrachtungswinkel 2ω = ungefähr 58º bis 70º an dem Weitwinkelende) und auch ein großes Aperturverhältnis und ein hohes Zoomverhältnis mit einem variablen Brechungsverhältnis in der Größenordnung von 12 bis 35 hat.
Die Zoomlinse hat in Aufeinanderfolge von der Objektseite aus eine erste Objektiveinheit mit einer positiven Brechkraft, die während der Fokussierlängenänderung fixiert ist, eine zweite Objektiveinheit mit einer negativen Brechkraft für eine Fokussierlängenänderung, eine dritte Objektiveinheit mit einer negativen Brechkraft für eine Korrektur der Schwankung der Bildebene, die von der Fokussierlängenänderung herrührt, und eine feststehende vierte Objektiveinheit mit einer positiven Brechkraft, und eine dünne Lage aus Harz, die eine vorbestimmte Bedingung erfüllt, ist an zumindest einer Linsenoberfläche der ersten Objektiveinheit vorgesehen.

Claims

1. Zoomlinse, die in Aufeinanderfolge von der Objektseite aus folgendes aufweist:

eine erste Linseneinheit (F) mit positiver Brechkraft, die während des Zoomens fixiert ist,

eine zweite Linseneinheit (V) mit negativer Brechkraft für das Zoomen,

eine dritte Linseneinheit (C) zum Korrigieren der Schwankung der Bildebene, die sich aus dem Zoomen ergibt und

eine fixierte vierte Linseneinheit (R) mit positiver Brechkraft, wobei die erste Linseneinheit in Aufeinanderfolge von der Objektseite aus folgendes aufweist:

zumindest eine negative Linse (G1) und eine Vielzahl an positiven Linsen, zumindest eine positive Linse LP (G2, G3) der ersten Linseneinheit, die mit einer dünnen Harzlage (X) versehen ist, und, wenn die Abbe-Zahl des Materials der positiven Linse LP als νp definiert ist und die Abbe-Zahl des Materials des Harzes als νr definiert ist, folgendes gilt:

νp - νr > 12,

und wenn der Krümmungsradius einer sphärischen Referenzfläche der dünnen Lage des Harzes, die benachbart zu der Objektseite ist, als rla definiert ist und der Krümmungsradius einer sphärischen Referenzfläche der dünnen Lage des Harzes, die benachbart zu der Bildseite ist, als r2a definiert ist und der Brechungsindex des Materials des Harzes als N definiert ist und die Brechkraft der ersten Linseneinheit als φ1 definiert ist, folgendes gilt:

φ/φ1 < -0,1

wobei

φ = (N - 1)(1/r1a - 1/r2a),

erfüllt ist.

2. Zoomlinse gemäß Anspruch 1, wobei wenn der maximale effektive Radius der positiven Linse LR als hmax definiert ist und die maximale Einfallhöhe eines Außer- Achse-Lichtstrahls mit einem maximalen Betrachtungswinkel bei dem Weitwinkelende als hw definiert ist und das variable Brechungsverhältnis als Z definiert ist, und die Fokussierlänge des Weitwinkelendes als fw definiert ist und die maximale Einfallhöhe eines Außer-Achse-Lichtstrahls eines maximalen Betrachtungswinkels bei einer Fokussierlänge fm (= fw x Z) als h2 definiert ist, der folgende Ausdruck erfüllt ist:

hw/hmax > 0,7

oder

hz/hmax > 0,7.

3. Zoomlinse gemäß Anspruch 1, wobei die dünne Harzlage eine konkave Fläche hat, die der Objektseite zugewandt ist.

4. Zoomlinse gemäß Anspruch 1, wobei die erste Linseneinheit in Aufeinanderfolge von der Objektseite folgendes aufweist:

eine negative Linse, von der die beiden Linsenflächen konkave Flächen sind,

eine positive Linse, von der die beiden Linsenflächen konvexe Flächen sind,

eine positive Linse mit einer konvexen Fläche, die der Objektseite zugewandt ist, und

eine meniskusartige positive Linse, deren konvexe Fläche der Objektseite zugewandt ist.

5. Zoomlinse gemäß Anspruch 4, wobei die dünne Harzlage an jener Linsenfläche an der Bildebenenseite der zweiten oder dritten Linse in der ersten Linseneinheit, gezählt von der Objektseite aus, vorgesehen ist.