DE102015116895B3

DE102015116895B3 - Photographic lens

Info

Publication number: DE102015116895B3
Application number: DE102015116895.2A
Authority: DE
Inventors: Michael Schottner
Original assignee: Jos Schneider Optische Werke GmbH
Current assignee: Jos Schneider Optische Werke GmbH
Priority date: 2015-10-05
Filing date: 2015-10-05
Publication date: 2016-11-03
Anticipated expiration: 2035-10-06

Abstract

Ein fotografisches Objektiv mit einer Mehrzahl von entlang einer optischen Achse z angeordneten optischen Elementen, welches zumindest zwei Alvarez-Platten mit zumindest jeweils einer Alvarez-Oberfläche aufweist, wobei zumindest eine der Alvarez-Platten in einer von der optischen Achse z verschiedenen Verschiebungsrichtung x beweglich ist, zeichnet sich dadurch aus, dass die Alvarez-Oberflächen der Alvarez-Platten eine Flächenform aufweisen, die sich durch ein Integral einer Wellenfrontdeformationsfunktion W(x, y) über die Verschiebungsrichtung x beschreiben lässt, wobei die Wellenfrontdeformationsfunktion W(x, y) eine Linearkombination von rotationssymmetrischen mit Koeffizienten an gewichteten Zernike-Polynomen Zn ist, und wobei zumindest der zum Zernike-Polynom Z9 nach Fringe-Sortierung gehörende Koeffizient a9 von Null verschieden ist.A photographic objective having a plurality of optical elements arranged along an optical axis z, which has at least two Alvarez plates with at least one Alvarez surface each, wherein at least one of the Alvarez plates is movable in a different displacement direction x from the optical axis z , characterized in that the Alvarez surfaces of the Alvarez plates have a surface shape that can be described by an integral of a wavefront deformation function W (x, y) on the displacement direction x, wherein the wavefront deformation function W (x, y) is a linear combination of rotationally symmetric with coefficients on weighted Zernike polynomials Zn, and wherein at least the coefficient a9 belonging to the Zernike polynomial Z9 according to Fringe sorting is different from zero.

Description

Gebiet der ErfindungField of the invention

Die Erfindung betrifft ein fotografisches Objektiv mit einer Mehrzahl entlang einer optischen Achse angeordneter optischer Elemente, welches zumindest zwei Alvarez-Platten mit zumindest jeweils einer Alvarez-Oberfläche aufweist, wobei zumindest eine der Alvarez-Platten in einer von der optischen Achse z verschiedenen Verschiebungsrichtung x beweglich ist.The invention relates to a photographic objective having a plurality of optical elements arranged along an optical axis, which has at least two Alvarez plates with at least one Alvarez surface each, wherein at least one of the Alvarez plates is movable in a different displacement direction x from the optical axis z is.

Stand der TechnikState of the art

Ein solches Objektiv, bei dem Alvarez-Platten eingesetzt werden, um die Fokuslage des Objektivs zu beeinflussen, ist beispielsweise aus der US 4,457,592 A und aus der US 7,149,037 B2 bekannt. Die Alvarez-Platten wurden von Luis Alvarez in den 1960er Jahren entwickelt, um optische Elemente zu schaffen, deren Brechkraft sich variieren lässt. Eine Veröffentlichung durch Alvarez findet sich beispielsweise in der US 3,305,294 A . Als Alvarez-Platten werden dabei optische Elemente mit nicht rotationssymmetrischen Oberflächen bezeichnet. Zu einer ersten Alvarez-Oberfläche gehört zumindest eine zweite, der ersten Alvarez-Oberfläche zugewandte Alvarez-Oberfläche, deren Oberflächenform das Negativ der Oberflächenform der ersten Alvarez-Oberfläche ist. Werden die beiden Oberflächen bei genauer Überdeckung in direkten Kontakt gebracht, so passen die Oberflächenformen also genau ineinander, womit sie zumindest theoretisch in dieser Konfiguration keinen Einfluss auf durch die Alvarez-Platten tretende Lichtwellen nehmen. Die beiden Platten neutralisieren sich zur Nullwirkung. Sie entsprechen in ihrer optischen Wirkung dann einer Planplatte, da diejenige Oberfläche einer Alvarez-Platte, die keine Alvarez-Oberfläche ist, in der Regel plan ist.Such an objective, in which Alvarez plates are used to influence the focus position of the lens is, for example, from US 4,457,592 A and from the US 7,149,037 B2 known. The Alvarez panels were developed by Luis Alvarez in the 1960s to create optical elements whose refractive power can be varied. A publication by Alvarez can be found in the US 3,305,294 A , As Alvarez plates while optical elements are referred to with non-rotationally symmetric surfaces. A first Alvarez surface includes at least a second Alvarez surface facing the first Alvarez surface, the surface form of which is the negative of the surface shape of the first Alvarez surface. If the two surfaces are brought into direct contact with precise coverage, so the surface shapes fit into each other exactly, so they at least theoretically in this configuration have no influence on passing through the Alvarez plates light waves. The two plates neutralize each other to zero effect. They correspond in their optical effect then a plane plate, since that surface of an Alvarez plate, which is not an Alvarez surface, is usually flat.

Dieser Effekt bleibt weitestgehend auch dann erhalten, wenn ein geringer Abstand in Richtung der optischen Achse zwischen den beiden Alvarez-Platten eingestellt wird. Liegt ein solcher Abstand vor, so kann aber zumindest eine der beiden Alvarez-Platten in einer Richtung senkrecht zur optischen Achse bewegt werden. Dies bewirkt, dass ein Lichtstrahl abhängig von seiner Position relativ zur optischen Achse, entlang der er die Alvarez-Platten passiert, unterschiedlich von den Alvarez-Platten beeinflusst wird.This effect is largely retained even if a small distance in the direction of the optical axis between the two Alvarez plates is set. If such a distance exists, however, at least one of the two Alvarez plates can be moved in a direction perpendicular to the optical axis. This causes a light beam to be differently affected by the Alvarez plates, depending on its position relative to the optical axis along which it passes the Alvarez plates.

Eine allgemeine Formel für die Oberflächenform der von Alvarez entwickelten Elemente ist z = axy² + a / 3x³ + bx. A general formula for the surface shape of the elements developed by Alvarez z = axy ² + a / 3x ³ + bx.

z ist dabei die Abweichung der Dicke der Platte von einer Planplatte und wird entlang der Richtung der optischen Achse gemessen, und x und y sind zwei Richtungen, die sowohl senkrecht zur optischen Achse als auch senkrecht zueinander stehen. Werden zwei Alvarez-Platten dieser Form gegeneinander in x-Richtung verschoben, so entsteht bei Verschiebung nach der einen Seite hin ein Element mit positiver Brechkraft und bei Verschiebung nach der anderen Seite hin ein Element mit negativer Brechkraft. Mittels eines Paares solcher Alvarez-Platten kann eine Beeinflussung einer die Platten durchtretenden Wellenfront in Form einer einfachen Parabel zweiter Ordnung realisiert werden. Durch Alvarez wurde somit ein optisches Element zur Verfügung gestellt, mit dessen Hilfe sich die Fokuslage eines Objektivs variieren lässt, ohne dass die Position eines optischen Elements in Richtung der optischen Achse verändert werden muss.z is the deviation of the thickness of the plate from a plane plate and is measured along the direction of the optical axis, and x and y are two directions that are both perpendicular to the optical axis and perpendicular to each other. If two Alvarez plates of this shape are displaced relative to one another in the x direction, an element with positive refractive power is produced on displacement to one side and an element with negative refractive power on displacement to the other side. By means of a pair of such Alvarez plates, an influence of a wave front passing through the plates can be realized in the form of a simple second order parabola. Alvarez thus provided an optical element that allows the focus position of a lens to be varied without having to change the position of an optical element in the direction of the optical axis.

In der vorliegenden Beschreibung wird unter einer Alvarez-Linse oder einem Alvarez-Manipulator insbesondere eine Gruppe von zwei, drei oder mehr Platten eines optisch transparenten Mediums verstanden, bei dem jede Platte mindestens eine Freiformfläche aufweist, zu der eine Partnerfläche auf einer anderen Platte existiert, welche eine bei zentrierter Ausrichtung dazu passende Gegenform aufweist. Unter einer passenden Gegenform wird dabei insbesondere eine Oberflächenform verstanden, die derart ausgestaltet ist, dass die Summe aus ihrer Oberflächenform und der Oberflächenform der Partnerfläche an jedem Punkt der Oberfläche gleich ist. Mit anderen Worten addieren sich die beiden Oberflächen in zentrierter Anordnung zu einer planen Fläche. Eine einzelne Platte und somit ein einzelnes Element der Alvarez-Linse wird entsprechend als Alvarez-Platte bezeichnet. Unter einer Alvarez-Oberfläche wird insbesondere eine funktionale, also gemäß dem Prinzip der Alvarez-Linse ausgeführte Oberfläche einer Alvarez-Platte verstanden. Die Oberflächenform der Alvarez-Platte ist somit nicht auf die oben genannte Formel beschränkt, vielmehr erfasst die verwendete Definition eine Vielzahl weiterer Oberflächenformen. In der englischen Fachliteratur wird eine solche Alvarez-Linse auch als „generalized Alvarez Lens” bezeichnet.In the present description, an Alvarez lens or an Alvarez manipulator is understood in particular to mean a group of two, three or more plates of an optically transparent medium, in which each plate has at least one free-form surface to which a partner surface exists on another plate. which has a counterpart that is suitable for centered alignment. In this context, a suitable counterform is understood in particular to mean a surface shape which is designed in such a way that the sum of its surface shape and the surface shape of the partner surface is the same at every point of the surface. In other words, the two surfaces add up in a centered arrangement to a plane surface. A single plate and thus a single element of the Alvarez lens is referred to as Alvarez plate accordingly. An Alvarez surface is to be understood in particular as a functional surface of an Alvarez plate, that is to say in accordance with the principle of the Alvarez lens. The surface shape of the Alvarez plate is thus not limited to the above-mentioned formula, but the definition used covers a variety of other surface shapes. In the English literature such Alvarez lens is also referred to as "generalized Alvarez Lens".

Aus der DE 10 2013 101 711 A1 ist ein Objektiv bekannt, bei dem ein Alvarez-Manipulator genutzt wird, um definierte Bildfehler einzuführen, die ihrerseits Bildfehler anderer Quellen, insbesondere durch äußere Bedingungen wie der Temperatur hervorgerufene Verschiebungen der Fokallage, aufzuheben.From the DE 10 2013 101 711 A1 For example, a lens is known in which an Alvarez manipulator is used to introduce defined aberrations which in turn cancel out aberrations of other sources, in particular shifts of the focal position caused by external conditions such as temperature.

Ebenfalls bekannt sind Objektive, die es ermöglichen sollen, eine Einstellung des sogenannten „Bokeh” zu ermöglichen. Mit dem Begriff Bokeh wird das Abbildungsverhalten eines Objektivs außerhalb der Fokusebene beschrieben. Insbesondere Objektive mit großer Brennweite und großer Apertur zeigen bereits bei geringer Abweichung von der Fokusebene eine starke Abnahme der Schärfe. Diese Unschärfe kann sich auf unterschiedliche Weisen zeigen und für Objekte, die vor bzw. hinter der Fokusebene liegen, unterschiedlich ausgeprägt sein. Als Begriff für die Qualität dieser Unschärfe hat sich in vielen Sprachen der japanische Begriff Bokeh durchgesetzt.Also known are lenses that should enable a setting of the so-called "bokeh". The term bokeh describes the imaging behavior of a lens outside the focal plane. In particular, lenses with a large focal length and a large aperture show a sharp decrease in sharpness even with a slight deviation from the focal plane. These Blurring can manifest itself in different ways and be different for objects that lie in front of or behind the focal plane. As a term for the quality of this blur, the Japanese term bokeh has prevailed in many languages.

Reale Objektive haben immer einen gewissen Öffnungsfehler, der dazu führt, dass je nach Größe des Restfehlers auch außerhalb der besten Fokusebene noch Teile des die Blende durchtretenden Lichts zu einem scharfen Bild führen können. Für eine erstrebenswerte Form der Abbildung von Hintergrund- oder Vordergrundunschärfe wird häufig gezielt ein Rest von Öffnungsfehlern aufrecht erhalten. Ein Zielkonflikt, der sich hierbei ergibt, ist der, dass es nur möglich ist, entweder eine maximale Abbildungsschärfe, eine besonders erstrebenswerte Hintergrund- oder Vordergrundabbildung zu erreichen. Wird das Objektiv so konstruiert, dass ein als angenehm empfundenes Bokeh im Hinter- oder im Vordergrund vorliegt, so bedingt dies einen nicht optimalen Schärfegrad in der Fokusebene. Darüber hinaus sind die entsprechenden Eigenschaften bei Standardobjektiven nur bei der Konstruktion beeinflussbar und somit vom Anwender nicht änderbar. Eine Anpassung des Objektivcharakters an das aktuelle Motiv ist daher unmöglich.Real lenses always have a certain aperture error, which means that, depending on the size of the residual error, even outside the best focal plane, parts of the light passing through the aperture can lead to a sharp image. For a desirable form of imaging of background or foreground blur, a lot of open errors are often selectively maintained. A conflict of objectives that arises here is that it is only possible to achieve either maximum image sharpness, a particularly desirable background or foreground image. If the lens is constructed in such a way that a bokeh perceived as pleasant is present in the background or in the foreground, this does not result in an optimal degree of sharpness in the focal plane. In addition, the corresponding properties of standard lenses can only be influenced in the design and thus can not be changed by the user. An adaptation of the lens character to the current subject is therefore impossible.

Es ist somit wünschenswert, dem Fotografen einen weiteren einstellbaren Parameter an die Hand zu geben, um das aufgenommene Bild zu beeinflussen. Herkömmliche Objektive besitzen keine Möglichkeit, auf das Bokeh Einfluss zu nehmen. Versuche, entsprechende Objektive mit einstellbarem Bokeh zu konstruieren sind beispielsweise aus der JP 2014-235203 A sowie aus der US 5,841,590 A bekannt. Dabei haben die bekannten Ansätze jeweils gemein, dass versucht wird, das gewünschte Abbildungsverhalten durch axiale Verschiebung einer oder mehrerer Linsen zu erreichen. Es ist jeweils ein spezielles optisches Design notwendig, welches für mindestens zwei verschiedene Linsenstellungen optimiert sein muss.It is thus desirable to provide the photographer with another adjustable parameter to influence the captured image. Conventional lenses have no way to affect the bokeh. Attempts to construct corresponding lenses with adjustable bokeh are, for example, from JP 2014-235203 A as well as from the US 5,841,590 A known. The known approaches each have in common that attempts to achieve the desired imaging behavior by axial displacement of one or more lenses. In each case a special optical design is necessary, which must be optimized for at least two different lens positions.

Aufgabenstellungtask

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Möglichkeit bereitzustellen, gezielt das Bokeh eines Objektivs, also seine Abbildungscharakteristik außerhalb der Fokusebene, zu verändern, ohne dass optische Elemente entlang der optischen Achse verschoben werden müssten. Die Lösung soll einfach in unterschiedliche optische Systeme integrierbar sein und nach Möglichkeit die weiteren Abbildungseigenschaften des Objektivs nicht beeinflussen.It is the object of the present invention to provide a possibility to specifically change the bokeh of a lens, that is to say its imaging characteristic outside the focal plane, without optical elements having to be displaced along the optical axis. The solution should be easy to integrate into different optical systems and, if possible, not affect the other imaging properties of the lens.

Darlegung der ErfindungPresentation of the invention

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass die Alvarez-Oberflächen der Alvarez-Platten eine Flächenform aufweisen, die sich durch ein Integral einer Wellenfrontdeformationsfunktion W über die Verschiebungsrichtung x beschreiben lässt, wobei die Wellenfrontdeformationsfunktion W(x, y) eine Linearkombination von rotationssymmetrischen, mit Koeffizienten an gewichteten Zernike-Polynomen Z_n ist, und wobei zumindest der zum Zernike-Polynom Z₉ nach Fringe-Sortierung gehörende Koeffizient a₉ von Null verschieden ist. Vorzugsweise bildet die x-Richtung mit der optischen Achse z einen rechten Winkel.This object is achieved in conjunction with the features of the preamble of claim 1 in that the Alvarez surfaces of the Alvarez plates have a surface shape which can be described by an integral of a wavefront deformation function W via the displacement direction x, the wavefront deformation function W (x , y) is a linear combination of rotationally symmetric coefficient-weighted Zernike polynomials Z _n , and wherein at least the coefficient a ₉ belonging to the Zernike polynomial Z ₉ according to Fringe sorting is different from zero. Preferably, the x-direction forms a right angle with the optical axis z.

Der Erfinder hat erkannt, dass das Prinzip der Alvarez-Platten eine einfache Möglichkeit bietet, die sphärische Aberration eines Objektivs zu beeinflussen. Dies hat direkte Auswirkungen auf das Bokeh, da für dessen Charakteristik zu großen Teilen die Ausprägung der sphärischen Aberration des Objektivs verantwortlich ist.The inventor has recognized that the principle of the Alvarez plates provides an easy way to influence the spherical aberration of a lens. This has a direct effect on the bokeh, as its characteristic is largely responsible for the manifestation of the spherical aberration of the lens.

Erfindungsgemäß kann also gezielt eine zusätzliche sphärische Aberration in das Objektiv eingebracht werden, wohingegen gebräuchliche Korrekturmechanismen gerade darauf abzielen, alle Abbildungsfehler, also auch die sphärische Aberration, möglichst weitgehend zu eliminieren.Thus, according to the invention, an additional spherical aberration can deliberately be introduced into the objective, whereas conventional correction mechanisms aim precisely to eliminate as far as possible all aberrations, and thus also the spherical aberration.

Die Deformationen, die eine Wellenfront erfährt, die durch ein Paar von Alvarez-Platten tritt, steht mit der Oberflächenform der Alvarez-Platten in dem folgenden Zusammenhang: h(x', y) = ∫ x' / 0W(x, y)dx The deformations experienced by a wavefront passing through a pair of Alvarez plates are related to the surface shape of the Alvarez plates in the following relationship: h (x ', y) = ∫ x' / 0W (x, y) dx

Dabei stellt h(x, y) die Oberflächenform der Alvarez-Oberfläche dar, wohingegen W(x, y) die Funktion für die Wellenfrontdeformation, also die Wellenfrontdeformationsfunktion ist. x und y sind zwei Richtungen, die jeweils senkrecht zueinander und zur optischen Achse z stehen. Jeder Wert h an einer Stelle (x, y) der Oberfläche der Alvarez-Platte gibt die Differenz der Dicke der Alvarez-Platte an dieser Stelle zu einer angenommenen planen Oberfläche an. Unter dem Ausdruck, dass eine Wellenfront eine Deformation erfährt, wird insbesondere verstanden, dass eine ebene Wellenfront nach der Deformation die angegebene Form aufweist.Here h (x, y) represents the surface form of the Alvarez surface, whereas W (x, y) is the function for the wavefront deformation, ie the wavefront deformation function. x and y are two directions which are perpendicular to each other and to the optical axis z. Each value h at a location (x, y) of the surface of the Alvarez plate indicates the difference in thickness of the Alvarez plate at that location to an assumed planar surface. By the expression that a wavefront undergoes a deformation, it is understood, in particular, that a plane wavefront after deformation has the stated shape.

Entsprechend ergibt sich bei gegebener Oberflächenform h(x, y) die Wellenfrontdeformation aus der Ableitung h'(x, y) von h(x, y) nach der Verschiebungsrichtung x der Alvarez-Platten.Correspondingly, for a given surface shape h (x, y), the wavefront deformation results from the derivative h '(x, y) of h (x, y) after the direction of displacement x of the Alvarez plates.

Es ist bekannt, Wellenfronten durch eine Reihe von Zernike-Polynomen darzustellen. Entsprechend lässt sich auch die Wellenfrontdeformationsfunktion W(x, y) als Linearkombination von Zernike-Polynomen darstellen, welche wiederum orthogonal zueinander und linear unabhängig sind. Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird durchgehend die Fringe-Notation zur Benennung der Zernike-Polynome verwendet. Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass ausschließlich zu rotationssymmetrischen Zernike-Polynomen gehörenden Koeffizienten von Null verschiedene Werte aufweisen, wobei zumindest der zum Zernike-Polynom Z₉ nach Fringe-Sortierung gehörende Koeffizient a₉ von Null verschieden ist. Die Wellenfrontdeformationsfunktion W(x, y) ist also ausschließlich aus rotationssymmetrischen Zernike-Polynomen aufgebaut und nicht vom Polarwinkel abhängig.It is known to represent wavefronts by a series of Zernike polynomials. Accordingly, the wavefront deformation function W (x, y) can also be represented as a linear combination of Zernike polynomials, which in turn are orthogonal to one another and linearly independent. In the present description, the Fringe notation is used throughout to denote the Zernike polynomials. According to the invention, it is now provided that coefficients belonging exclusively to rotationally symmetric Zernike polynomials have different values from zero, wherein at least the coefficient a ₉ belonging to the Zernike polynomial Z ₉ according to fringe sorting is different from zero. The wavefront deformation function W (x, y) is thus constructed exclusively of rotationally symmetric Zernike polynomials and does not depend on the polar angle.

Das Zernike-Polynom Z₉ beschreibt die sphärische Aberration. Es hat in Polarkoordinaten die folgende Form: Z₉ = 6r⁴ – 6r² + 1 The Zernike polynomial Z ₉ describes the spherical aberration. It has the following form in polar coordinates: Z ₉ = 6r ⁴ - 6r ² + 1

r² lässt sich dabei in kartesischen Koordinaten als (x + y)² darstellen. Das Zernike-Polynom Z₉ ist nur vom Radius und nicht vom Polarwinkel abhängig. Es hat für den Erfindungsgedanken zentrale Bedeutung.r ² can be represented in Cartesian coordinates as (x + y) ² . The Zernike polynomial Z ₉ depends only on the radius and not on the polar angle. It has central significance for the idea of the invention.

Eine mögliche Oberflächenform der Alvarez-Platten, die durch W(x, y) = Z₉ auf dem Zernike-Polynom Z₉ basiert, ist beispielsweise h(x, y) = 6xy⁴ + 4x³y² + 6 / 5x⁵ – 6xy² – 2x³ + x. One possible surface form of the Alvarez plates, which is based on W (x, y) = Z ₉ on the Zernike polynomial Z ₉ , is for example h (x, y) = 6xy ⁴ + 4x ³ y ² + 6 / 5x ⁵ - 6xy ² - 2x ³ + x.

Sortiert nach positiven und negativen Termen und gewichtet mit dem Zernike-Koeffizienten a₉ ergibt sich: h(x, y) = a₉x – 6a₉(xy² + 1 / 3x³) + 6a₉(xy⁴ + 2 / 3x³y² + 1 / 5x⁵). Sorted by positive and negative terms and weighted with the Zernike coefficient a _9, we get: h (x, y) = a ₉ x - 6 ₉ (xy ² + 1 / 3x ³⁾ + 6 ₉ (xy ⁴ + 2 / 3x ³ y ² + 1 / 5x ^5).

Hierbei wurde wie zuvor beschrieben über x integriert und die Funktion mit einem Faktor für die maximale Auslenkung, die normalerweise im Bereich weniger Mikrometer liegt, versehen. x und y sind hier so normiert, dass sie am Rand der Platten, also dem Pupillenrand dimensionslos +/–1 betragen.As previously described, this was done by integrating over x and providing the function with a maximum deflection factor, which is usually in the range of a few microns. Here, x and y are normalized such that they are dimensionless +/- 1 at the edge of the plates, ie the pupil edge.

Die Ableitung nach x ergibt entsprechend mit der Substitution r = (x + y)² die obige Gleichung für Z₉. Durch einen frei wählbaren Normierungsfaktor kann die Stärke des Einflusses der Alvarez-Platten vorgegeben werden. Im Regelfall liegen die Abweichungen von einer Planplatte und entsprechend auch die Werte für h(x, y) im Mikrometerbereich.The derivative with respect to x yields the above equation for Z ₉ with the substitution r = (x + y) ² . A freely selectable normalization factor can be used to specify the degree of influence of the Alvarez plates. As a rule, the deviations from a plane plate and, correspondingly, the values for h (x, y) lie in the micrometer range.

Die oben angegebene Oberflächenform für die ursprünglich von Alvarez entwickelten Platten z = axy²+ a / 3x³ + bx lässt sich durch Ableitung nach x für a = 2 und b = –1 auf das Zernike-Polynom Z₄ zurückführen: Z₄ = 2r² – 1 The above surface shape for the plates originally developed by Alvarez z = axy ² + a / 3x ³ + bx can be derived by derivation after x for a = 2 and b = -1 to the Zernike polynomial Z ₄ : Z ₄ = 2r ² - 1

Dies ist folgerichtig, da das Zernike-Polynom Z₄ für den Fokusterm steht und die Fokuslage gemäß Alvarez durch die Alvarez-Platten einstellbar sein soll. Für die vorliegende Erfindung ist es jedoch von Vorteil, wenn die Fokuslage durch Einstellen des Bokehs bzw. durch das Verschieben der zumindest einen beweglichen Alvarez-Platte nicht verändert wird. Der zu dem Zernike-Polynom Z₄ gehörende Koeffizient a₄ der Wellenfrontdeformationsfunktion W(x, y) ist somit vorzugsweise gleich Null. Dies ermöglicht es, die Fokuslage weitestgehend unbeeinflusst durch die Alvarez-Platten zu belassen. Dies ist mit einem Alvarez-Plattenpaar für genau einen Blendendurchmesser vollständig möglich. Vorzugsweise ist hierbei der maximale Blendendurchmesser gewählt, für den die beste Fokuslage konstant gehalten werden soll.This is logical, since the Zernike polynomial Z _{4 stands} for the Fokusterm and the focus position according to Alvarez should be adjustable by the Alvarez plates. For the present invention, however, it is advantageous if the focus position is not changed by adjusting the Bokehs or by moving the at least one movable Alvarez plate. The coefficient a _{4 of} the wavefront deformation function W (x, y) belonging to the Zernike polynomial Z ₄ is therefore preferably equal to zero. This makes it possible to leave the focus position largely unaffected by the Alvarez plates. This is completely possible with an Alvarez plate pair for exactly one aperture diameter. Preferably, the maximum aperture diameter is selected here, for which the best focus position is to be kept constant.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind alle Koeffizienten der Zernike-Polynome der Wellenfrontdeformationsfunktion W(x, y) mit Ausnahme des zum Zernike-Polynom Z₉ nach Fringe-Nomenklatur gehörigen Koeffizienten a₉ gleich Null. Eine solche Wellenfrontdeformationsfunktion ist dann mathematisch einfach zu handhaben und verringert den Herstellungsaufwand der entsprechenden Alvarez-Platten. Darüber hinaus lässt sich mit solchen Alvarez-Platten gezielt die sphärische Aberration niedrigster Ordnung beeinflussen, was für die meisten Anwendungen vollkommen ausreichend ist.In a further preferred embodiment, all the coefficients of the Zernike polynomials of the wavefront deformation function W (x, y) are equal to zero except for the coefficient a _{9 associated} with the Zernike polynomial Z ₉ according to Fringe nomenclature. Such wavefront deformation function is then mathematically easy to handle and reduces the manufacturing cost of the corresponding Alvarez plates. In addition, such Alvarez plates can selectively affect the lowest-order spherical aberration, which is perfectly adequate for most applications.

Bevorzugt befinden sich zwischen den Alvarez-Platten und einer Blende keine weiteren optischen Elemente. Mit anderen Worten sind die Alvarez-Platten entweder direkt vor oder direkt hinter der Blende im Strahlengang angeordnet. Besonders bevorzugt ist der axiale Abstand zwischen Blende und Alvarez-Platten möglichst klein. Idealerweise sind Alvarez-Platten und Blende somit unmittelbar nebeneinander angeordnet.Preferably, there are no further optical elements between the Alvarez plates and a diaphragm. In other words, the Alvarez plates are arranged either directly in front of or directly behind the diaphragm in the beam path. Particularly preferably, the axial distance between the aperture and Alvarez plates is as small as possible. Ideally Alvarez plates and aperture are thus arranged directly next to each other.

Dies hat den Effekt, dass die Auswirkungen für alle Feldpunkte sehr ähnlich sind und nur eine minimale Feldabhängigkeit erzeugt wird. Bei stark vignettierenden Objektiven, insbesondere bei Weitwinkelobjektiven, ist dies dennoch nur zu einem Teil zu erreichen, was zusätzliche Nebenwirkungen wie z. B. eine Bildfeldwölbung verursachen kann. Um die Bildfeldwölbung gezielt zu beeinflussen, ist gemäß einer besonderen Ausführungsform vorgesehen, dass ein zusätzliches Paar von Alvarez-Linsen, also ein weiterer Alvarez-Manipulator, in einem größeren Abstand von der Blende angeordnet wird. Dieser Alvarez-Manipulator kann entweder dazu benutzt werden, die Resteffekte des ersten Alvarez-Manipulators zu korrigieren, oder es kann gezielt eine Feldabhängigkeit eingeführt werden. Letzteres ist hilfreich, wenn man zum Erreichen einer besseren Freistellung des Hauptobjektes in der Bildmitte Objekte am Bildrand zusätzlich defokussieren möchte. Ein weiterer Effekt eines solchen nicht in Blendennähe angeordneten Alvarez-Manipulators kann ein Einfluss auf die Bildfeldkrümmung sein, der dafür sorgt, dass Objekte außerhalb der Mitte nicht mehr in der Fokusebene liegen, so dass es auch zu einer Hervorhebung des Objektes in der Mitte kommt.This has the effect that the effects are very similar for all field points and only a minimal field dependence is generated. For strongly vignetting lenses, especially for wide-angle lenses, this is still only partially achievable, which has additional side effects such as: B. can cause a field curvature. In order to influence the field curvature targeted, is provided according to a particular embodiment, that an additional pair of Alvarez lenses, so another Alvarez manipulator, is arranged at a greater distance from the diaphragm. This Alvarez manipulator can either be used to correct the residual effects of the first Alvarez manipulator, or it can be targeted Field dependency are introduced. The latter is helpful if you want to defocus to achieve a better exemption of the main object in the middle of the image objects on the image edge. Another effect of such an off-center Alvarez manipulator can be an effect on the curvature of the field, which ensures that objects outside the center are no longer in the focal plane, so that it also comes to a highlighting of the object in the middle.

Weitere mögliche Anwendungen der Erfindung liegen in der Korrektur rotationssymmetrischer Bildfehler des Objektivs sowie darin, Öffnungsfehler des Objektivs zu korrigieren bzw. gezielt solche Öffnungsfehler einzubringen, um die maximale Auflösung des Objektivs zu vergrößern bzw. zu verringern.Further possible applications of the invention lie in the correction of rotationally symmetrical aberrations of the objective and in correcting the aperture aberrations of the objective or specifically introducing such aberrations in order to increase or decrease the maximum resolution of the objective.

In einer speziellen Ausführungsform ist es vorgesehen, dass der Zwischenraum zwischen den Alvarez-Platten mit einer Flüssigkeit, insbesondere einem Immersionsöl, gefüllt ist. Hierdurch können optische Fehler vermieden werden, die durch den Luftspalt zwischen den Platten entstehen.In a specific embodiment, it is provided that the space between the Alvarez plates is filled with a liquid, in particular an immersion oil. As a result, optical errors caused by the air gap between the plates can be avoided.

Ein weiterer einstellbarer Parameter kann die Nullpunktlage des Alvarez-Manipulators innerhalb des Objektivs relativ zur optischen Achse sein. Falls ein Objektiv aufgrund seines Designs oder aufgrund von Fertigungsabweichungen eine für die Schärfe nicht optimale sphärische Aberration aufweist, kann die Nullpunktlage der Plattenverschiebung dann angepasst werden und so einen sehr wertvollen, weil mit minimalen Nebeneffekten versehenen Justagefreiheitsgrad darstellen. Es ist dann möglich, sowohl „dynamisch” die sphärische Aberration des Objektivs einzustellen, als auch durch einen fixen „Offset” eine bevorzugte Grundeinstellung der sphärischen Aberration vorzunehmen.Another adjustable parameter may be the zero point location of the Alvarez manipulator within the lens relative to the optical axis. If a lens has a spherical aberration that is not optimal for sharpness due to its design or due to manufacturing variations, then the zero point position of the plate displacement can then be adjusted, thus providing a very valuable degree of adjustment freedom with minimal side effects. It is then possible to set both "dynamic" the spherical aberration of the lens, as well as by a fixed "offset" to make a preferred basic adjustment of the spherical aberration.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass eine manuelle oder elektrische Bedienmöglichkeit vorhanden ist, die es einem Benutzer erlaubt, gezielt die Position der zumindest einen beweglichen Alvarez-Platte relativ zur optischen Achse zu bestimmen. Dies kann beispielsweise eine Drehspindel oder ein Elektromotor sein. Der Benutzer kann dann manuell oder über eine Motorsteuerung gezielt die sphärische Aberration des Objektivs und somit den Öffnungsfehler und folgerichtig das Bokeh des Objektivs einstellen. Er erhält somit einen zusätzlichen Freiheitsgrad bei der Gestaltung der Aufnahmen.A development of the invention provides that a manual or electrical operating option is available, which allows a user to specifically determine the position of the at least one movable Alvarez plate relative to the optical axis. This can be for example a rotary spindle or an electric motor. The user can then manually or via a motor control specifically set the spherical aberration of the lens and thus the aperture error and consequently the bokeh of the lens. He thus receives an additional degree of freedom in the design of recordings.

In einer Ausführungsform kann der Alvarez-Manipulator mit einer Fokussiermöglichkeit für das Objektiv gekoppelt sein. Dies kann eine herkömmliche Fokussiereinrichtung oder auch ein weiterer Alvarez-Manipulator sein.In one embodiment, the Alvarez manipulator may be coupled to a lens focusing option. This may be a conventional focusing device or another Alvarez manipulator.

Vorzugsweise steigt die Krümmung der Wellenfrontdeformationsfunktion W(x, y) = W(r) mit zunehmendem Abstand von der optischen Achse entweder monoton an oder nimmt monoton ab. Insbesondere ist bevorzugt, dass die Krümmung der Wellenfrontdeformationsfunktion W(x, y) im Randbereich keine Richtungsumkehr erfährt. Folglich gilt dann für W(r): Die zweite Ableitung W''(r) verläuft monoton steigend oder monoton fallend abhängig davon, ob gerade der Bildvordergrund oder der Bildhintergrund besonders vorteilhaftes Bokeh aufweisen soll. Anstelle der 2. Ableitung kann auch die dritte Ableitung als Kriterium verwendet werden: Die dritte Ableitung W'''(r) muss dann stets größer Null oder stets kleiner Null sein. Eine auf dem Zernike-Polynom Z₉ basierende Wellenfrontdeformationsfunktion W erfüllt genau diese Bedingungen.Preferably, the curvature of the wavefront deformation function W (x, y) = W (r) either monotonically increases or decreases monotonically with increasing distance from the optical axis. In particular, it is preferred that the curvature of the wavefront deformation function W (x, y) in the edge region does not undergo a reversal of direction. Consequently, then for W (r), the second derivative W "(r) is monotonically increasing or monotonically decreasing depending on whether the image foreground or the image background should have particularly advantageous bokeh. Instead of the second derivative, the third derivative can also be used as a criterion: The third derivative W '''(r) must always be greater than zero or always less than zero. A wavefront deformation function W based on the Zernike polynomial Z ₉ fulfills exactly these conditions.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Wellenfrontdeformationsfunktion W eine Linearkombination aus rotationssymmetrischen Zernike-Polynomen, wobei zumindest einer der Koeffizienten a₁₆, a₂₅ oder a₃₆ ungleich Null ist. Die zugehörigen Zernike-Polynome Z₁₆, Z₂₅ und Z₃₆ bilden sphärische Aberration höherer Ordnungen ab, so dass somit auch diese gezielt beeinflusst werden können. Ausgeschrieben als vom Radius r abhängige Terme sind die zugehörigen Zernike-Polynome Z₁₆ = 20r⁶ – 30r⁴ + 12r² – 1 Z₂₅ = 70r⁸ – 140r⁶ + 90r⁴ – 20r² + 1 Z₃₆ = 252r¹⁰ – 630r⁸ + 560r⁶ – 210r⁴ + 30r² – 1. In a further embodiment of the invention, the wavefront deformation function W is a linear combination of rotationally symmetric Zernike polynomials, wherein at least one of the coefficients a ₁₆ , a ₂₅ or a _{36 is} not equal to zero. The associated Zernike polynomials Z ₁₆ , Z ₂₅ and Z ₃₆ form spherical aberrations of higher orders, so that they can thus be influenced in a targeted manner. Written out as terms dependent on the radius r are the corresponding Zernike polynomials Z ₁₆ = 20r ⁶ - 30r ⁴ + 12r ² - 1 Z ₂₅ = 70r ⁸ - 140r ⁶ + 90r ⁴ - 20r ² + 1 Z ₃₆ = 252r ¹⁰ - 630r ⁸ + 560r ⁶ - 210r ⁴ + 30r ² - 1.

In einer weiteren Ausführungsform weist das Objektiv zumindest drei Alvarez-Platten auf, die zusammen zumindest zwei Paare von Alvarez-Oberflächen aufweisen. Es können dann mehrere verschiedene Parameter getrennt voneinander eingestellt werden, beispielsweise können sphärische Aberrationen verschiedener Ordnung einzeln kontrolliert werden. Ebenso ist es möglich, neben einem Paar von Alvarez-Platten zur Beeinflussung der sphärischen Aberration auch ein weiteres Paar von Alvarez-Platten einzusetzen, das dann in bekannter Weise die Fokuslage bestimmt.In a further embodiment, the objective has at least three Alvarez plates, which together have at least two pairs of Alvarez surfaces. Several different parameters can then be set separately, for example, spherical aberrations of different order can be controlled individually. It is also possible, in addition to a pair of Alvarez plates for influencing the spherical aberration, to use another pair of Alvarez plates, which then determines the focal position in a known manner.

Vorzugsweise ist jeder Alvarez-Oberfläche eine eigene Alvarez-Platte zugeordnet, so dass jeweils nur eine Oberfläche der Platte als Alvarez-Oberfläche ausgeformt ist. Dies sorgt für eine Entkopplung der Wirkungen der unterschiedlichen Alvarez-Oberflächen. Es ist beispielsweise aber auch denkbar, dass eine zentrale Platte auf beiden Seiten Alvarez-Oberflächen aufweist und innerhalb des Objektivs unbeweglich angeordnet ist. Auf beiden Seiten dieser zentralen Alvarez-Platte kann dann eine weitere Alvarez-Platte mit der jeweiligen Partneroberfläche angeordnet sein. Diese beiden Platten sind dann senkrecht zur optischen Achse verschiebbar ausgeführt, so dass mittels eines Systems aus nur drei Platten zwei Effekte unabhängig voneinander beeinflusst werden können.Preferably, each Alvarez surface is assigned its own Alvarez plate, so that in each case only one surface of the plate is formed as Alvarez surface. This provides a decoupling of the effects of the different Alvarez surfaces. However, it is also conceivable, for example, that a central plate has Alvarez surfaces on both sides and is arranged immovably within the objective. On both sides of this central Alvarez plate can then be arranged a further Alvarez plate with the respective partner surface. These two plates are then implemented displaceable perpendicular to the optical axis, so that by means of a system of only three plates, two effects can be influenced independently of each other.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind jeweils beide Platten eines Paares von Alvarez-Platten senkrecht zur optischen Achse in Verschiebungsrichtung x verschiebbar. Die beiden Alvarez-Platten können dann mechanisch derart miteinander verbunden werden, dass Ihre Bewegungen symmetrisch um die Nullpunktstellung ausgeführt werden. In anderen Worten bewegt sich eine der Platten um einen bestimmten Weg in positiver x-Richtung, während sich die mit der ersten Platte gekoppelte zweite Platte symmetrisch um den gleichen Weg in negativer x-Richtung bewegt. Die beiden Platten werden also symmetrisch gegeneinander in x-Richtung verschoben.In a further preferred embodiment, in each case both plates of a pair of Alvarez plates are displaceable perpendicular to the optical axis in the displacement direction x. The two Alvarez plates can then be mechanically connected in such a way that their movements are performed symmetrically around the zero position. In other words, one of the plates moves a certain distance in the positive x-direction while the second plate coupled to the first plate moves symmetrically the same way in the negative x-direction. The two plates are thus moved symmetrically against each other in the x direction.

In einer Weiterbildung der Erfindung können mittels eines zweiten Bewegungsmechanismus beide Alvarez-Platten gleichzeitig in die gleiche Richtung bewegt werden, um so eine Einstellung der Nullpunktlage der Alvarez-Platten zu ermöglichen.In a further development of the invention, both Alvarez plates can be simultaneously moved in the same direction by means of a second movement mechanism, so as to allow adjustment of the zero point position of the Alvarez plates.

Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.Preferred embodiments are subject of the dependent claims.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden speziellen Beschreibung und den Zeichnungen.Further features and advantages of the invention will become apparent from the following specific description and the drawings.

Kurzbeschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Es zeigen:Show it:

1: Eine Schemazeichnung eines erfindungsgemäßen Objektivs, 1 : A schematic drawing of an objective according to the invention,

2: Eine graphische Darstellung der Oberflächenform einer erfindungsgemäßen Alvarez-Platte, 2 : A graphical representation of the surface shape of an Alvarez plate according to the invention,

3: Eine Darstellung der sphärischen Aberration einer Plankonvexlinse, 3 : A representation of the spherical aberration of a plano-convex lens,

4: Strahlengang, Öffnungsfehler und beispielhafte Abbildungen von Bildpunkten außerhalb der Fokusebene für ein erfindungsgemäßes Objektiv mit Alvarez-Manipulator in Neutralstellung, 4 : Ray path, aperture aberration and exemplary images of pixels outside the focal plane for an inventive lens with Alvarez manipulator in neutral position,

5: Strahlengang, Öffnungsfehler und beispielhafte Abbildungen von Bildpunkten außerhalb der Fokusebene für ein erfindungsgemäßes Objektiv mit Alvarez-Manipulator in Plusstellung, 5 : Beam path, aperture aberration and exemplary images of pixels outside the focus plane for an inventive lens with Alvarez manipulator in plus position,

6: Strahlengang, Öffnungsfehler und beispielhafte Abbildungen von Bildpunkten außerhalb der Fokusebene für ein erfindungsgemäßes Objektiv mit Alvarez-Manipulator in Minusstellung. 6 : Beam path, aperture error and exemplary images of pixels outside the focal plane for an inventive lens with Alvarez manipulator in minus position.

Beschreibung bevorzugter AusführungsformenDescription of preferred embodiments

1 zeigt eine Schemazeichnung eines erfindungsgemäßen Objektivs 10. Zu erkennen sind eine Frontgruppe 12, die aus insgesamt drei in axialer Abfolge entlang der optischen Achse z angeordneten einzelnen Linsen besteht, sowie die Endgruppe 14, die aus insgesamt vier einzelnen Linsen besteht. Lichtwellen können von in der Zeichnung links in das Objektiv eintreten und nach Austritt aus dem Objektiv in der Zeichnung rechts beispielsweise auf einen in der Zeichnung nicht dargestellten Sensor oder einen Film abgebildet werden. 1 shows a schematic drawing of an objective according to the invention 10 , To recognize are a front group 12 consisting of a total of three axially arranged along the optical axis z arranged individual lenses, and the end group 14 , which consists of a total of four individual lenses. Light waves can enter from the left in the drawing in the lens and after exiting the lens in the drawing on the right, for example, on a sensor, not shown in the drawing or a film are mapped.

Zwischen der Frontgruppe 12 und der Endgruppe 14 ist der Alvarez-Manipulator 20 angeordnet. Er besteht aus zwei Alvarezplatten 20a und 20b. Die Alvarez-Oberflächen der beiden Alvarez-Platten 20a, 20b, welche zur jeweils anderen Platte gewandt sind, weisen die erfindungsgemäße Form auf. Die Alvarez-Oberfläche der ersten Alvarez-Platte 20a hat die gleiche Form wie die Alvarez-Oberfläche der zweiten Alvarez-Platte 20b, jedoch mit invertiertem Vorzeichen. Entsprechend ist an einer Position, an der die Alvarez-Platte 20a eine Abweichung positiven Vorzeichens in ihrer Oberflächenform von einer Ebene aufweist, an der zweiten Alvarez-Platte 20b eine entsprechende Abweichung gleichen Betrags mit negativem Vorzeichen vorhanden. Die den Alvarez-Oberflächen gegenüberliegenden Oberflächen der Alvarez-Platten 20a, 20b sind plan ausgeführt.Between the front group 12 and the endgroup 14 is the Alvarez manipulator 20 arranged. It consists of two Alvarez plates 20a and 20b , The Alvarez surfaces of the two Alvarez plates 20a . 20b , which are turned to each other plate, have the shape of the invention. The Alvarez surface of the first Alvarez plate 20a has the same shape as the Alvarez surface of the second Alvarez plate 20b , but with inverted sign. Accordingly, at a position where the Alvarez plate 20a has a positive sign deviation in its surface shape from one plane to the second Alvarez plate 20b a corresponding deviation of the same amount exists with a negative sign. The surfaces of the Alvarez plates opposite the Alvarez surfaces 20a . 20b are executed plan.

Benachbart zu dem Alvarez-Manipulator 20 ist eine Blende 22 angeordnet. Die Blende 22 ist bildseitig des Alvarez-Manipulators 20 in geringem Abstand zu diesem angeordnet. Eine objektseitige Anordnung der Blende 22 bezüglich des Alvarez-Manipulators 20 ist ebenso möglich.Adjacent to the Alvarez Manipulator 20 is a blind 22 arranged. The aperture 22 is on the image side of the Alvarez manipulator 20 arranged at a small distance to this. An object-side arrangement of the aperture 22 concerning the Alvarez manipulator 20 is also possible.

Die beiden Alvarez-Platten 20a, 20b lassen sich in x-Richtung relativ zueinander verschieben, so dass sich der gewünschte Effekt auf eine das Objektiv 10 passierende Wellenfront ergibt. Vorzugsweise sind die beiden Alvarez-Platten 20a, 20b derart miteinander gekoppelt, dass, wenn sich die erste Alvarez-Platte 20a um eine Strecke in positive x-Richtung bewegt, die zweite Alvarez-Platte 20b sich um die gleiche Strecke in negative x-Richtung bewegt. Mit anderen Worten bleibt bei dieser Konfiguration die Lage des Schwerpunkts des Alvarez-Manipulators relativ zur optischen Achse z konstant.The two Alvarez plates 20a . 20b can be moved in x-direction relative to each other, so that the desired effect on the lens 10 resulting wavefront. Preferably, the two are Alvarez plates 20a . 20b coupled together so that when the first Alvarez plate 20a moved by a distance in the positive x-direction, the second Alvarez plate 20b moves the same distance in the negative x-direction. In other words, in this configuration, the position of the center of gravity of the Alvarez manipulator remains constant relative to the optical axis z.

2 zeigt eine graphische Darstellung der Oberflächenform einer Alvarez-Platte 20a gemäß der Erfindung. Die nicht-rotationssymmetrische Form der Oberfläche ist klar zu erkennen. Gezeigt ist eine nicht maßstabsgetreue Darstellung der Abweichung von einer planen Oberfläche. Eingezeichnet sind ebenfalls die drei Achsen x, y und z, die gemeinsam ein rechtwinkliges Koordinatensystem aufspannen. Z entspricht dabei im Regelfall der optischen Achse sowie der Richtung, in der die Funktionswerte der Funktion h(x, y) aufgetragen werden. Entsprechend wird in z-Richtung die Abweichung der Alvarez-Oberfläche der Alvarez-Platte 20a von einer planen Oberfläche aufgetragen. Die x-Richtung ist die Verschieberichtung. Die y-Richtung steht senkrecht auf den beiden anderen Richtungen. Dargestellt ist ein auf dem Zernike-Polynom Z₉ basierendes Beispiel für die Form einer Alvarez-Oberfläche. 2 shows a graphical representation of the surface shape of an Alvarez plate 20a according to the invention. The non-rotationally symmetric shape of the surface is clearly visible. Shown is a not to scale representation of the deviation from a flat surface. The three axes x, y and z are also drawn, which together form a rectangular coordinate system. Z usually corresponds to the optical axis and the direction in which the function values of the function h (x, y) are plotted. Accordingly, in the z-direction, the deviation of the Alvarez surface of the Alvarez plate 20a applied from a flat surface. The x-direction is the shift direction. The y-direction is perpendicular to the other two directions. Shown is an example based on the Zernike polynomial Z ₉ for the shape of an Alvarez surface.

3 zeigt eine Darstellung der sphärischen Aberration eines vereinfacht als Plankonvexlinse 30 dargestellten Objektivs. Gezeigt ist dabei ein Beispiel mit einer überzeichneten Darstellung der sphärischen Aberration. Es ist zu erkennen, dass der Schnittpunkt eines durch die Linse 30 tretenden Lichtstrahls mit der optischen Achse abhängig von seinem Auftreffpunkt auf die Linse 30 ist. Weiter außen, also in größerer Entfernung von der optischen Achse durch die Linse 30 tretende Strahlen schneiden die optische Achse näher an der Linse 30 als Strahlen, die näher an der optischen Achse auf die Linse 30 treffen. Ein eindeutiger Fokus existiert somit nicht. Dennoch lässt sich eine ”beste Fokusebene” 32 angeben, in der ein großer Teil der möglichen Bildpunkte relativ scharf abgebildet wird. 3 shows a representation of the spherical aberration of a simplistic plano-convex lens 30 shown lens. Shown here is an example with an exaggerated representation of the spherical aberration. It can be seen that the intersection of one through the lens 30 passing light beam with the optical axis depending on its impact on the lens 30 is. Farther out, ie at a greater distance from the optical axis through the lens 30 passing rays intersect the optical axis closer to the lens 30 as rays that are closer to the optical axis on the lens 30 to meet. A clear focus does not exist. Nevertheless, a "best focus plane" can be 32 specify in which a large part of the possible pixels is relatively sharply mapped.

4a zeigt schematisch den Strahlengang eines Objektivs ohne Öffnungsfehler in der Nähe der Bildebene. Horizontal ist dabei die Lichtrichtung entlang der optischen Achse dargestellt, wohingegen vertikal der senkrechte Abstand zur optischen Achse dargestellt ist. In der Zeichnung links treten die Strahlen aus dem nicht dargestellten Objetiv aus. Es ist zu erkennen, dass der Strahlengang symmetrisch zur als senkrechte Linie eingezeichneten Bildebene ist: Vor und hinter der Bildebene haben achsnahe und achsferne Strahlen jeweils den gleichen Abstand voneinander. Alle Strahlen schneiden sich in einem gemeinsamen Punkt. Das resultierende Bild zeigt vor und hinter der Fokusebene jeweils gleiche, mittlere Weichheit. 4a schematically shows the beam path of a lens with no aperture error in the vicinity of the image plane. Horizontal light direction along the optical axis is shown, whereas vertically the vertical distance to the optical axis is shown. In the drawing on the left, the rays exit from the object, not shown. It can be seen that the beam path is symmetrical to the image plane drawn as a vertical line: In front of and behind the image plane, near-axis and off-axis rays each have the same distance from each other. All rays intersect at a common point. The resulting image shows the same mean softness in front of and behind the focal plane.

4b zeigt ein Diagramm, in dem der Öffnungsfehler für das Objektiv gemäß 4a dargestellt ist. Dabei ist horizontal die Abweichung der Fokuslage gegenüber achsnahen Strahlen und vertikal die Höhe eines Strahls in der Pupille, also seine Entfernung von der optischen Achse, dargstellt. Da der gezeigte Graph zu einem ”perfekten” Objektiv ohne Öffnungsfehler und ohne sphärische Aberration gehört, verläuft der Graph durchgehend auf der y-Achse. 4b shows a diagram in which the aperture error for the lens according to 4a is shown. In this case, horizontally the deviation of the focus position with respect to near-axis rays and vertically the height of a beam in the pupil, ie its distance from the optical axis dargstellt. Since the graph shown belongs to a "perfect" lens with no aperture error and no spherical aberration, the graph runs continuously on the y-axis.

4c und 4d zeigen das Ergebnis einer Defokussierung einer kleinen Lichtquelle auf einen Kamerasensor. Dargestellt ist dabei die Bildebene. Eine Punktlichtquelle als Lichtquelle ist hier eine sinnvolle Vereinfachung, da sich auch alle ausgedehnten Lichtquellen aus einzelnen Punkten zusammengesetzt vorstellen lassen. 4c zeigt das Ergebnis der Abbildung einer Punktlichtquelle, die sich im Hintergrund, also vom Objektiv aus gesehen noch hinter der Fokusebene, befindet. 4d zeigt das Ergebnis analog zu 4c für eine Punktlichtquelle im Vordergrund, also vom Objektiv aus gesehen vor der Fokusebene. Beide Abbildungen sehen identisch aus, da die Abbildungseigenschaften des Objektivs symmetrisch zur Fokusebene sind. Die Lichtintensität ist am Rand ähnlich wie im Zentrum des Bildes. 4c and 4d show the result of defocusing a small light source on a camera sensor. Shown here is the image plane. A point light source as a light source is here a meaningful simplification, since all extended light sources can be imagined from individual points. 4c shows the result of the image of a point light source, which is in the background, so seen from the lens behind the focal plane. 4d shows the result analogous to 4c for a point light source in the foreground, so seen from the lens in front of the focal plane. Both figures look identical, as the imaging properties of the lens are symmetrical to the focal plane. The light intensity is similar at the edge as in the center of the picture.

5a zeigt schematisch den Strahlengang eines Objektivs mit positivem Öffnungsfehler in der Nähe der Bildebene. Eine solche Konfiguration lässt sich erfindungsgemäß dadurch erreichen, dass der Alvarez-Manipulator in Plus-Stellung gebracht wird, die beiden Alvarez-Platten also um einen positiven Wert in x-Richtung gegeneinander verschoben werden. Es ist zu erkennen, dass die Randstrahlen sich näher am Objektiv, in der Zeichnung also weiter links, schneiden als im in 4a gezeigten Fall. Objekte, die sich – jeweils vom Objektiv aus gesehen – vor der Fokusebene befinden, werden daher mit einem scharfen Rand abgebildet. Entsprechend sind die Randstrahlen hinter dem Fokus weiter voneinander entfernt, was genau den gewünschten Bokeh-Effekt erzielt: Hinter der Fokusebene angeordnete Objekte werden mit weichen Rändern abgebildet, was von einem Betrachter oft als angenehm empfunden wird. 5a schematically shows the beam path of a lens with positive aperture error in the vicinity of the image plane. Such a configuration can be achieved according to the invention in that the Alvarez manipulator is placed in the plus position, that is, the two Alvarez plates are shifted relative to each other by a positive value in the x-direction. It can be seen that the marginal rays are closer to the lens, in the drawing so further left, cut as in 4a shown case. Objects that are in front of the focal plane, as seen from the lens, are therefore depicted with a sharp edge. Correspondingly, the marginal rays behind the focus are farther apart, which achieves exactly the desired bokeh effect: Objects arranged behind the focal plane are imaged with soft edges, which is often perceived as pleasant by a viewer.

5b zeigt ein Diagramm, in dem analog zu 4b der Öffnungsfehler für das Objektiv gemäß 5a dargestellt ist. Es ist zu erkennen, dass, bezogen auf die optische Achse, für achsferne Strahlen die Brennweite geringer ausfällt, als für achsnahe Strahlen. 5b shows a diagram in which analogy to 4b the aperture error for the lens according to 5a is shown. It can be seen that, with respect to the optical axis, the focal length for off-axis beams is lower than for near-axis beams.

5c und 5d zeigen analog zu den 4c und 4d das Ergebnis einer Abbildung einer Punktlichtquelle, die sich außerhalb der besten Fokusebene befindet. 5c zeigt wiederum eine Punktlichtquelle, die sich im Bildvordergrund befindet, wohingegen 5d eine Punktlichtquelle zeigt, die sich im Bildhintergrund befindet. Im rechten Bereich der 5c und 5d ist jeweils die Lichtintensität in Abhängigkeit vom radialen Abstand von der Punktlichtquelle gezeigt. Es ist in 5c zu erkennen, dass Objekte im Bildvordergrund mit scharfen Rändern hoher Lichtintensität abgebildet werden, wohingegen 5d zeigt, dass Objekte im Bildhintergrund mit weichen Rändern niedriger Lichtintensität abgebildet werden. 5c and 5d show analogous to the 4c and 4d the result of imaging a point light source that is outside of the best focal plane. 5c again shows a point light source that is in the foreground, whereas 5d shows a point light source that is in the image background. In the right area of the 5c and 5d in each case the light intensity is shown as a function of the radial distance from the point light source. It is in 5c to recognize that objects in the image foreground are imaged with sharp edges of high light intensity, whereas 5d shows that objects in the image background are imaged with soft edges of low light intensity.

6a zeigt schematisch den Strahlengang eines Objektivs mit negativem Öffnungsfehler in der Nähe der Bildebene. Eine solche Konfiguration lässt sich erfindungsgemäß dadurch erreichen, dass der Alvarez-Manipulator in Minus-Stellung gebracht wird, die beiden Alvarez-Platten also um einen negativen Wert in x-Richtung gegeneinander verschoben werden. Es ist zu erkennen, dass die Randstrahlen sich weiter vom Objektiv entfernt, in der Zeichnung also weiter rechts, schneiden als im in 4a gezeigten Fall. Objekte, die sich – jeweils vom Objektiv aus gesehen – hinter der Fokusebene befinden, werden daher mit einem scharfen Rand abgebildet. Entsprechend sind die Randstrahlen vor dem Fokus weiter voneinander entfernt, was genau den gewünschten Bokeh-Effekt erzielt: Vor der Fokusebene angeordnete Objekte werden mit weichen Rändern abgebildet. 6a schematically shows the beam path of a lens with a negative aperture error in the vicinity of the image plane. Such a configuration can be achieved according to the invention in that the Alvarez manipulator is brought into the minus position, that is, the two Alvarez plates are shifted relative to one another by a negative value in the x-direction. It can be seen that the marginal rays are farther from the lens, in the drawing so far to the right, cut as in 4a shown case. Objects that are behind the focal plane, as seen from the lens, are therefore depicted with a sharp edge. Accordingly, the marginal rays are farther apart from each other in front of the focus, which achieves exactly the desired bokeh effect: Objects arranged in front of the focal plane are imaged with soft edges.

6b zeigt ein Diagramm, in dem analog zu 4b der Öffnungsfehler für das Objektiv gemäß 6a dargestellt ist. Es ist zu erkennen, dass für achsferne Strahlen die Brennweite größer ausfällt, als für achsnahe Strahlen. 6b shows a diagram in which analogy to 4b the aperture error for the lens according to 6a is shown. It can be seen that for off-axis rays the focal length is greater than for near-axis rays.

6c und 6d zeigen analog zu den 4c und 4d das Ergebnis einer Abbildung einer Punktlichtquelle, die sich außerhalb der besten Fokusebene befindet. 6c zeigt wiederum eine Punktlichtquelle, die sich im Bildvordergrund befindet, wohingegen 6d eine Punktlichtquelle zeigt, die sich im Bildhintergrund befindet. Im rechten Bereich der 6c und 6d ist wiederum die Lichtintensität in Abhängigkeit vom radialen Abstand von der Punktlichtquelle gezeigt. Es ist in 6c zu erkennen, dass Objekte im Bildvordergrund mit weichen Rändern niedriger Lichtintensität abgebildet werden, wohingegen 6d zeigt, dass Objekte im Bildhintergrund mit scharfen Rändern hoher Lichtintensität abgebildet werden. 6c and 6d show analogous to the 4c and 4d the result of imaging a point light source that is outside of the best focal plane. 6c again shows a point light source that is in the foreground, whereas 6d shows a point light source that is in the image background. In the right area of the 6c and 6d In turn, the light intensity is shown as a function of the radial distance from the point light source. It is in 6c to recognize that objects in the image foreground are imaged with soft edges of low light intensity, whereas 6d shows that objects in the image background are imaged with sharp edges of high light intensity.

Es wird somit eine Manipulation des Bokehs, also der Ausprägung der Unschärfe außerhalb der Fokusebene, möglich, so dass in dem gerade interessierenden Bereich, also beispielsweise im Vordergrund oder im Hintergrund, die Unschärfe eine erstrebenswerte Gestalt annimmt. Diese wird üblicherweise erreicht, wenn alles sehr weich erscheint und so wenig wie möglich harte Konturen erkennbar sind. Da sich beim Umkehren der Richtung der Auslenkung der beiden Alvarez-Platten 20a, 20b lediglich das Vorzeichen der Wellenfrontdeformation verändert, kann mit ein und demselben Aufbau Vorder- oder Hintergrundbokeh optimiert werden.Thus, a manipulation of the bokeh, that is to say the expression of the blur outside of the focal plane, becomes possible, so that in the region of interest, ie for example in the foreground or in the background, the blurring takes on a desirable form. This is usually achieved when everything appears very soft and as hard as possible hard contours are recognizable. As opposed to reversing the direction of the deflection of the two Alvarez plates 20a . 20b only the sign of the wavefront deformation changed, can be optimized with one and the same structure foreground or Hintergrundbokeh.

Das erfindungsgemäße Objektiv eignet sich für fotografische Aufnahmen, ist aber ebenso für die Cinematographie interessant, da sich hier für den Kameramann neben Zoom und Fokus auch ein interessanter ”Bokeh-in/Bokeh-out”-Effekt ergibt, der zu ausdrucksstarken bewegten Bildern führen kann.The objective according to the invention is suitable for photographic recordings, but is also of interest for cinematography since, in addition to zoom and focus, an interesting "bokeh-in / bokeh-out" effect results for the cameraman, which can lead to expressive moving pictures ,

Darüber hinaus kann die Erfindung auch im industriellen Rahmen zur Anpassung an spezielle Anforderungen bei Bildverarbeitungsproblemen eingesetzt warden, bei denen es um zuverlässige Unterscheidung von realen Mustern und Artefakten von außerhalb der Schärfeebenen geht.Moreover, the invention can also be used in an industrial setting to adapt to specific requirements in image processing problems involving reliable discrimination of real patterns and artifacts from outside the planes of sharpness.

Natürlich stellen die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in den Figuren gezeigten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der hiesigen Offenbarung ein breites Spektrum von Variationsmöglichkeiten an die Hand gegeben. Alle Ausführungsformen und Merkmale sind problemlos miteinander kombinierbar, sofern keine offensichtliche Unvereinbarkeit vorliegt.Of course, the embodiments discussed in the specific description and shown in the figures represent only illustrative embodiments of the present invention. A broad range of possible variations will be apparent to those skilled in the art in light of the disclosure herein. All embodiments and features can be easily combined with each other, provided that there is no apparent incompatibility.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010: Objektivlens
1212: Frontgruppefront group
1414: Endgruppeend group
2020: Alvarez-ManipulatorAlvarez manipulator
20a20a: erste Alvarez-Plattefirst Alvarez plate
20b20b: zweite Alvarez-Plattesecond Alvarez plate
2222: Blendecover
3030: Linselens
3232: Fokusebenefocal plane
xx: Verschiebungsrichtungshift direction
zz: optische Achseoptical axis

Claims

Photographic lens ( 10 ) having a plurality of optical elements (z) arranged along an optical axis (z) 12 . 14 ) containing at least two Alvarez plates ( 20a . 20b ) having at least one Alvarez surface each, at least one of the Alvarez plates ( 20a . 20b ) is movable in a direction of displacement (x) different from the optical axis (z), characterized in that the Alvarez surfaces of the Alvarez plates ( 20a . 20b ) have a surface shape which can be described by an integral of a wavefront deformation function W (x, y) via the displacement direction (x), wherein the wavefront deformation function W (x, y) is a linear combination of rotationally symmetric coefficient-weighted Zernike polynomials Z _n and at least the coefficient a ₉ belonging to the Zernike polynomial Z ₉ according to Fringe sorting is different from zero.

Photographic lens ( 10 ) according to claim 1, characterized in that the Zernike polynomial Z ₄ according to Fringe nomenclature associated coefficient a _{4 is} equal to zero.

Photographic lens ( 10 ) according to claim 1 or 2, characterized in that axially adjacent to the Alvarez plates ( 20a . 20b ) an aperture ( 22 ) is arranged.

Photographic lens ( 10 ) according to any one of the preceding claims, characterized in that the space between the Alvarez plates ( 20a . 20b ) is filled with a liquid.

Photographic lens ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that a manual or electrical operating device is provided which allows a user to selectively control the position of the at least one movable Alvarez plate ( 20a ) relative to the optical axis (z).

Photographic lens ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the curvature of the wavefront deformation function W (x, y) over the entire extent of the Alvarez plate ( 20a . 20b ) increases or decreases monotonically with increasing distance from the optical axis (z).

Photographic lens ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that for the wavefront deformation function W (x, y) all coefficients of the Zernike polynomials, with the exception of the coefficients a ₉ belonging to the Zernike polynomial Z ₉ according to Fringe nomenclature, are equal to zero.

Photographic lens ( 10 ) according to one of claims 1 to 6, characterized in that the wavefront deformation function W (x, y) is a linear combination of rotationally symmetric Zernike polynomials, wherein at least one of the coefficients a ₁₆ , a ₂₅ or a _{36 is} not equal to zero

Photographic lens ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that it comprises at least three Alvarez plates ( 20a . 20b ) having a total of at least two pairs of Alvarez surfaces.

Photographic lens ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the Alvarez plates ( 20a . 20b ) with a focusing device for the lens ( 10 ) are coupled.