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Mechanische Wirkungselemente bei Objektiven mit veränderbarer Brennweite (aus 1973!!)

Aus den Schneider Hausmitteilungen von 1973 - Von P. Himmelsbach, Bad Kreuznach (mit zehn Bildern und einer Tabelle)

Zusammenfassung:

  • Es werden verschiedene Möglichkeiten für die mechanische Verstellung der Schiebeglieder in Objektiven mit veränderbaren Brennweiten an Hand von praktischen Beispielen beschrieben. Führung und Kraftübertragung werden dabei getrennt behandelt.

Die Laudatio (bezüglich der tollen Zeichnungen)

Unsere Hochachtung vor den Grafikern von damals. Sie hatten kein Word und kein Autocad und kein Corel Draw, es mußte alles von Hand auf dem Reißbrett gezeichnet werden. Wir bewundern die Aussagekraft der Zeichnungen von 1973. Diese Broschüre war (ja nur) eine Zugabe an alle damals am Lernen begriffenen Fernsehleute.
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1. Einleitung

Aufnahmeobjektive mit veränderbaren Brennweiten werden im Hause SCHNEIDER seit dem Jahre 1959 in größeren Stückzahlen gefertigt. Die optischen Systeme haben im Prinzip vier Wirkungsgruppen (vgl. Bild 1):

Bild 1 - Prinzip eines Objektives mit veränderbarer Brennweite

Zwischen zwei feststehenden positiven Wirkungsgruppen 1 und 4 bewegen sich in Richtung der optischen Achse zwei negative Gruppen 2 und 3 mit unterschiedlichen Verstellwegen und Geschwindigkeiten. Durch das Verschieben der Gruppen 2 und 3 wird ein Verändern der Brennweite des Gesamtsystems hervorgerufen und zwar so, daß der Bildort jeweils erhalten bleibt. Dabei wird die Brennweite im wesentlichen durch das Verschieben der Linsengruppe 2 verändert. Die Bewegung der Linsengruppe 3 sorgt für die Kon-stanz des Bildortes. Derartige Systeme werden als mechanisch kompensierte Zoom-Objektive bezeichnet.

 

Bild 2 zeigt eine prinzipielle Ausführung. Das erste Schiebeglied wird über eine lineare Steuerkurve bewegt und das zweite über eine Steuerkurve mit Umkehrung der Bewegungsrichtung des Schiebegliedes. Das Fokussieren auf nahe Objekte erfolgt dabei durch axiales Verschieben des ganzen Frontgliedes oder eines Teiles davon.

Bild 2 - Prinzipielle Anordnung eines Objektivs mit veränderbarer Brennweite mit mechanischem Schnittweitenausgleich.

In jeder Stellung des Frontgliedes, d. h. bei jeder Entfernungseinstellung muß die Lage des Bildes über den gesamten Brennweitenbereich unverändert bleiben. Das erfordert eine außerordentliche Präzision der Bewegungen der Schiebeglieder sowohl zueinander als auch gegenüber den feststehenden Linsengruppen.

2. Zur Bedeutung der Linsen-Zentrierung

Ein optisches System besteht grundsätzlich aus mehreren Einzellinsen. Dabei sollen alle Krümmungsmittelpunkte der einzelnen Linsenflächen (jede Linse hat zwei Flächen und deshalb auch zwei Krümmungsmittelpunkte) auf einer Geraden, der optischen Achse, liegen. Die Leistungsfähigkeit eines optischen Systems hängt in hohem Grad davon ab, wie exakt diese Forderung erfüllt wird, fachmännisch ausgedrück: wie exakt die einzelnen Flächen "zentriert" sind.

Ist die Zentrierung der einzelnen Flächen bei optischen Systemen mit fester Brennweite, also mit feststehenden Linsen, schon schwierig, bei Objektiven mit veränderbaren Brennweiten, also verschiebbaren Linsen, wird sie zu einer grundlegenden Aufgabe, von deren Lösung die Qualität eines Zoom-Objektivs in ganz entscheidendem Maße abhängt.

Beim Entwickeln eines optischen Systems mit veränderbarer Brennweite wird durch entsprechende Verteilung der optischen Brechkräfte darauf hingewirkt, daß die Positionen der verschiebbaren Glieder gewisse Lageabweichungen erlauben. Aber diese zugelassenen Toleranzen für die Lage der Schiebeglieder in Zoom-Objektiven sind so klein, daß eine außerordentliche Präzision der mechanischen Wirkungselemente angestrebt werden muß. Es darf also beim Bewegen der Schiebeglieder die Zentrierung der wirksamen Linsenflächen nicht gefährdet werden. Außerdem sollte die Variation der drei Luftabstände zwischen den Linsengruppen 1-2, 2-3 und 3-4 (nach Bild 1) in hohem Maße reproduzierbar erfolgen. Umkehrspannen dürfen sich optisch nicht auswirken. Das bedeutet, sie dürfen bei den mechanischen Elementen gar nicht erst auftreten.

Zu diesen hohen Forderungen an die geometrische Genauigkeit beim Bewegen optischer Baugruppen in Objektiven mit veränderbarer Brennweite kommt noch die Forderung nach einer reibungsarmen Bewegung, denn bei einem motorischen Antrieb (Power Zoom) will man mit möglichst wenig Energie auskommen. Außerdem wird eine lange und wartungsfreie Lebensdauer erwartet. Es bedarf kaum eines Hinweises, daß diese Forderungen, die sich zum Teil widersprechen, nicht ohne Kompromisse erfüllt werden können, über einige praktisch erprobte Lösungen der Verschiebekinematik in Vario-Objektiven wird im folgenden berichtet.

3. Verstellmöglichkeiten für die Schiebeglieder in Vario-Objektiven

An sieben verschiedenen Beispielen werden charakteristische Ausführungen von Verstell- möglichkeiten für die Schiebeglieder in Vario-Objektiven beschrieben. Die Unterschiede beruhen zum Teil auf der Größe des Brennweitenbereiches und dem Verwendungszweck. Ihre konstruktiven Merkmale werden jeweils gesondert betrachtet, und zwar nach der Art der mechanischen Führung und der der Kraftübertragung. Die behandelten Beispiele sind zunächst in einer Tabelle übersichtlich zusammengestellt.

Präzisions-Vario-Objektive, wie z. B. alle in der Tabelle angeführten SCHNEIDER-Variogone, weisen getrennte Funktionselemente zur Führung der Schiebe-glieder und zur Kraftübertragung auf. Die Forderung, die Schiebeglieder über ihren Verstellweg ohne Abweichungen von der optischen Achse, ohne Umkehrspannen und mit geringer Reibung zu führen, ist mit gemeinsamen Elementen kaum ohne Kompromisse zu erfüllen. Außerdem ist ein Führungsverhältnis (Verhältnis von Führungslänge zum Führungsdurchmesser) notwendig, das wesentlich über dem vom Konstrukteur allgemein zu berücksichtigenden Wert liegt.

Tabelle kommt

3.1. Klauenführung

Bei dem ersten Variogon 2,8/10-40 aus dem Jahre 1959 ist die Führungslänge der Schiebeglieder im Objektivtubus durch klauenförmige Ausbildung vergrößert worden (vgl. Bild 3). Objektivzylinder und Schiebeglieder sind geschliffen. Problematisch bleiben die Schmierung über viele Jahre hinweg und die zur Vermeidung von Streulicht erforderliche Riefelung des Objektivs-Tubus.

Bild 3 - Beim Variogon 2,8/10-40 mm laufen die klauenförmig gestalteten Fassungen der Schiebeglieder in einem quer gerieften, feststehenden Tubus mit Längsschlitzen zur radialen Führung. Die Triebbolzen der Schiebeglieder ragen durch diese Schlitze aus dem Tubus heraus und werden vom Kurvenzylinder beim Betätigen des Brennweitenverstellringes axial verschoben.

3.2. Stangenführung

Eine bei vielen Variogonen sehr bewährte Lösung stellt die sogenannte Stangen- oder Säulenführung dar. Bei dieser hochpräzisen Führung wird jedes Schiebeglied von zwei Stangen (Säulen) geführt. Eine Säule übernimmt dabei die eigentliche Führung in der Längsachse und verhindert ein Verkippen ge-genüber dieser, die zweite verhindert ein Verdrehen des Schiebegliedes um die erste Säule. Diese Konstruktion ermöglicht Führungsverhältnisse von 3:1 bis 4:1. Die Anordnung des Säulenkäfigs erfolgt dabei nach der Regel D ist etwa 15 d, wobei unter D der Durchmesser des Säulenkäfigs zu verstehen ist (vgl. Bild 4).

Bild 4 - Beim Tele-Variogon 4,8/80-240 mm werden die Fassungen der beiden Schiebeglieder zwischen drei achsenparallelen zylindrischen Säulen geführt, die einen Käfig bilden, der vom Kurvenzylinder koaxial umschlossen wird.

Bei zwei Schiebegliedern sind zwei getrennte Führungssäulen notwendig, die dritte Säule, die die Verdrehung verhindert, ist gemeinsam. Die Führungssäulen sind vorzugsweise spitzenlos geschliffen, wobei außer an die Durchmessergenauigkeit höchste Anforderungen an Rundheit, Parallelität und Ebenheit gestellt werden. Die Führungsbohrungen in den Augen der Schiebefassungen werden mit speziellen Bohreinheiten nach den gleichen Gesichtspunkten bearbeitet.

Um geringstes Lagerspiel in Verbindung mit einer leichtgängigen Betätigung zu erreichen, werden bei der Montage der Objektive zusätzlich Schiebeglied und Säule gepaart. Außerdem müssen die Stangen in sehr engen Grenzen parallel zueinander und zur optischen Achse stehen.

Der Präzision und Funktion der Schiebefassungen kann nicht genug Bedeutung beigemessen werden, weil schon die kleinste Abweichung der Schiebeglieder von ihrer vorausberechneten Position in einer der drei Dimensionen Leistungseinbußen des optischen Systems bewirkt.

Für Studio-Fernseh-Objektive wurde die Stangenführung mit einer Kugelführung ausgestattet. Zu den bereits geschilderten Vorzügen kommen dann noch: Leichtgängigkeit, Wartungsfreiheit und günstigeres Temperaturverhalten. Da Kugelführungen schon bei relativ kleiner Kugelpressung eine Verkippung - auch bei entsprechender Belastung - ausschließen, kann die Konstruktion des Säulenkäfigs sehr freizügig den übrigen Erfordernissen angepaßt werden.

4.1. Kraftübertragung mit koaxialem Kurvenzylinder

Um die Schiebeglieder nach den rechnerisch vorgegebenen Kurven zu bewegen, gibt es verschiedene konstruktive Lösungen. Meist werden diese Kurven auf einem Zylrnder als Antriebselement untergebracht. Dieser Kurvenzylinder kann dabei sowohl koaxial um die optische Achse als auch außerhalb dieser angeordnet sein. Kameras für Lauf- und Stehbild erfordern zur schnellen Aufnahmebereitschaft vor allem kleine und handliche Objektive. Hier bietet sich der um die optische Achse koaxial angeordnete Kurvenzylinder besonders an (Bilder 3 und 4).

 

Die Herstellung der Kurvenzylinder erfordert bei der geringen Wandstärke und der notwendigen Genauigkeit Spezialmaschinen. Es ist besonders darauf zu achten, daß der Steigungswinkel nicht größer wird als 45°. Kommt man in die Nähe der Selbsthemmung, so arbeitet die Brennweitenverstellung unsauber und ruckartig, was bei "Fahraufnahmen" nicht tragbar ist. Ein weiteres Problem stellt die Formstabilität des Kurvenzylinders dar. Dieses dünnwandige Teil muß trotz zweier kurvenförmiger Durchbrüche, die annähernd über den halben Umfang reichen, die Schlitzbreite in sehr engen Toleranzen über die ganze Länge der Kurve gewährleisten.

Beim Variogon 1,8/8-48 bewirken anstelle der kurvenförmigen Durchbrüche im Zylinder Nuten mit entsprechender Qualität und Toleranz die Verstellung der Schiebeglieder (vgl. Bild 5). Diese Ausführung ergibt eine besondere Formstabilität des Kurvenzylinders auch bei geringen Wanddicken.

Bild 5 - Beim Variogon 1,8/8-48 mm werden die Schiebeglieder von Säulen geführt wie in Bild 4. Die Steuerkurven im Kurvenzylinder sind aber nicht mehr durchbrochen, sondern als Nuten von innen eingearbeitet.

Die Brechkräfte sind bei diesem Objektiv so auf die Wirkungsgruppen verteilt, daß sich bei linearem Weg des ersten Schiebegliedes - also gerader Steuerkurve I - (vgl. Bild 2) eine proportionale Veränderung der Brennweite ergibt. Die lineare Funktion ist für die Änderung des Abbildungsmaßstabes sehr vorteilhaft.

Die Steuerkurve II für das zweite Schiebeglied ist dann entsprechend nicht-linear zugeordnet. Bei Systemen mit großem Brennweitenbereich muß man, um zu große Steigungswinkel der Steuerkurve für das zweite Schiebeglied zu vermeiden, auch der Steuerkurve des ersten Schiebegliedes eine gewisse Nichtlinearität zuordnen. Allerdings sollte man von der Proportionalität der Brennweitenänderung nur so wenig wie möglich abweichen.

4. 2. Kraftübertragung mit außeraxialem Kurvenzylinder

Die außeraxiale Anordnung der Kurventrommel (Bild 6) wird bevorzugt bei größeren Systemen mit relativ hoher Betriebsleistung - z. B. bei Studio-Objektiven für das Farbfernsehen - angewendet. Hierbei ist die Kurventrommel wälzgelagert. Diese Ausführung bietet darüber hinaus Vorteile bei der Montage und Wartung.

Bild 6 - Beim Variogon 2,1/18-200 mm (Typ: TV 10) für Farbfernseh-Studio-Kameras erfolgt die Brennweitenverstellung durch Verschieben der in Kugel-Säulenführungen gelagerten Schiebeglieder mittels außeraxialer Kurventrommel. Wegen der offenen Bauweise ist der optisch wirksame Raum durch flexible Balgen gegen Lichteinfall und Staub geschützt.

4. 3. Kraftübertragung durch ebene Kurven

Konstruktive Besonderheiten sowohl in optischer wie in mechanischer Hinsicht zeigt ein Variogon 1,8/9-36. Vario-Objektive sind üblicherweise optisch so aufgebaut, daß das zweite Schiebeglied nur um einen Bruchteil des Weges des ersten Schiebegliedes - meist in Form einer Umkehrkurve - verschoben wird (Bild 2). Beim Variogon 1,8/9-36 ist es durch besondere Anordnung der Brechkräfte gelungen, die Verschiebewege beider Schiebeglieder annähernd gleich groß und in gleicher Richtung - bei geringer relativer Abweichung zueinander - auszuführen.


Dieses Merkmal führte zu einer Brennweitenverstellung nach dem Prinzip des Leitlineals (Bild 7).

Bild 7 - Beim Variogon 1,8/9-36 mm wird die dem zweiarmigen Hebel als Drehpunkt dienende Schraube beim Bewegen des ersten Schiebegliedes durch eine einfache Spiralrille längsverschoben. Dabei gleiten die beiden Führungsstifte am Leitlineal entlang, so daß der untere Hebelarm das zweite Schiebeglied beeinflußt.

Die Funktion ist dabei folgende: Auf der Fassung des ersten Schiebegliedes ist drehbar ein kleiner zweiarmiger Hebel gelagert. Das eine Hebelende gleitet beim Bewegen des ersten Schiebegliedes am Leitlineal entlang und erteilt dem Hebel eine Auslenkung. Diese wird über einen Stift und die entsprechende Gabel auf das zweite Schiebeglied über-tragen und steuert so dessen erforderliche Verstellung für die Schnittweitenkonstanz. Eine Feder verspannt die beiden Schiebeglieder gegeneinander und über den Hebel auch gegen das Leitlineal, so daß dieser Verschiebemechanismus praktisch frei von Umkehrspannen entsprechend genau arbeitet.


Bei Objektiven für das Studio-Farbfernsehen wurde neben der außeraxialen Kurventrommel (Bild 6) für das übertragen der Bewegungskräfte auf die Schiebeglieder auch das System des Kurvenhebels (Bild 8) angewendet.

Bild 8 - Beim Varigon 1 :2,1/18-200 mm (Typ: TV 1) wird beim Betätigen der Brennweiten- verstellung am ersten Schiebeglied über den Kurvenhebel das zweite Schiebeglied entsprechend verstellt. Die Schiebeglieder sind in Kugel-Säulenführungen gelagert. Das Frontglied besteht aus 8 Linsen. Zur Entfernungseinstellung werden nur die ersten drei Linsen in Richtung der optischen Achse verschoben.

Der zweiarmige Hebel besitzt hier einen ortsfesten Drehpunkt. Der längere Hebelarm ist als Kurve ausgebildet. Beim Verschieben des ersten Gliedes zur Brennweitenverstellung führen 2 Rollen am ersten Schiebeglied den kurvenförmigen Hebelarm und erteilen ihm eine entsprechende Drehbewegung. Diese überträgt der kleinere Hebelarm über eine Rolle auf das zweite Schiebeglied und steuert damit die Verstellung zum Erlangen der Schnittweitenkonstanz. Der größere Aufwand der kinematischen Anordnung des Kurvenhebels wird durch seine einfachere Fertigungsmöglichkeit zum Teil ausgeglichen.

5. Variogon 2,1 ... 6,3/20 - 600 mm

Die bisher betrachteten Objektive mit veränderbaren Brennweiten wurden für verschiedene Anwendungszwecke mit unterschiedlichen Brennweitenbereichen entwickelt. Jahrelang galten Variogone mit 10...12fachem Brennweitenbereich als Spitzenerzeugnisse, die beim Anwender in der Aufnahmetechnik kaum Wünsche offen ließen.

Da jedoch ein größerer Bereich der Brennweite und damit des Bildwinkels neue Möglichkeiten der Bildgestaltung eröffnet, ist die Entwicklung der Vario-Objektive in dieser Richtung fortgeschritten.

Mit der Entwicklung eines Vario-Objektivs mit 30-fachem Bereich für das Farbfernsehen hat das Haus SCHNEIDER einen großen Schritt nach vorne getan, denn der Brennweitenbereich von 20 bis 600mm ermöglicht eine optimale Anwendung des Objektivs sowohl im Studio als auch im outside Betrieb. Zum kontinuierlichen Durchfahren des gesamten Bereiches sind vier verschiebbare optische Glieder erforderlich (vgl. Bild 9).

Bild 9 - Optischer Aufbau eines Vario-Objektivs mit zwei Variatoren.

Das Steuern dieser vier Schiebeglieder 2, 3, 5 und 6 forderte neue Wege bei der Konstruktion der mechanischen Wirkungselemente. Es ist klar, daß die gemeinsame Anordnung in einem Variatorteil extreme Anforderungen an die Fertigung stellt, zumal sich zwischen den vier Schiebegliedern ortsfeste optische Glieder befinden, und die Geometrie des Strahlenganges zu stark unterschiedlichen Linsendurchmessern führt.

 

Deshalb ist bei der Konstruktion der Verstellmechanik der Weg des zweistufigen Antriebes gewählt worden, indem man beide Variatorteile in der beschriebenen Art mit je einem koaxialen Kurvenzylinder und mit Stangenführungen ausgerüstet hat. Die getriebliche Verbindung erfordert dabei ein Element mit zwei Freiheitsgraden, damit ein kontinuierlicher Antrieb der beiden Variatoren wechselseitig über eine gemeinsame Welle ermöglicht wird.

Bild 10 zeigt den mechanischen Aufbau im Prinzip.

Bild 10 - Variogon mit zwei Variatoren zur Erzielung eines größeren Brennweitenbereiches. Die beiden Variatoren werden über ein Differentialgetriebe wechselweise angetrieben.

Die beiden Variatorteile sind über ein Kegelrad-Differential miteinander verbunden. Auf den beiden Kurvenzylindern 1 und 2 sind Steuerspuren 1 und 2 so angeordnet, daß der dazwischen liegende Riegel jeweils einen der beiden Variatoren sperrt (in der gezeichneten Stellung den Variator 2). Die Drehbewegung der Antriebswelle wird über das Differential und das Stirnrad S 1 auf den Zahnkranz des Kurvenzylinders 1 übertragen.

 

Sobald der Variator 1 seine Endstellung erreicht hat, übernimmt der Variator 2 die Brennweitenänderung und Schnittweitenkonstanz, indem sich gleichzeitig der Riegel in Pfeilrichtung verschiebt, und der Variator 1 gesperrt wird. Dabei wird die Drehbewegung des Antriebes über die Kreuzwelle und das Stirnrad S2 auf den Kurvenzylinder 2 übertragen. Die 30fache Brennweitenänderung wird so für den Betrachter ohne sichtbaren Übergang wechselseitig von den beiden Variatoren ausgeführt.

6. Schluß

Diese Übersicht kann selbstverständlich die Problematik der Entwicklung der Verschiebe- kinematik und Herstellung von Objektiven mit veränderbaren Brennweiten nur allgemein aufzeigen. Feinmechanisch- optische Erzeugnisse erfordern ein relativ hohes Maß an Know-how. Für Präzisionsobjektive mit veränderbarer Brennweite gilt dies im Besonderen.

 

Eine weitere sehr gut gemachte und informative Broschüre der Firma Canon ist in Arbeit


Nachtrag der Redaktion:
Bitte beachten Sie, daß alle diese Zeichnungen noch aus 1973 stammten, also ohne Coreld Draw oder Photoshop am Reißbrett erstellt wurden !!

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