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Pankratisches Vorsatzobjektiv
Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, einen pankratischen, afokalen Vorsatz mit etwa achtfa- chem Vergrösserungsbereich zu entwickeln, wobei unter Anwendung möglichst einfacher optischer und mechanischer Mittel ein streng konstanter Bildort über den gesamten Variationsbereich gefordert war.
Bekannt sind einerseits die mechanisch kompensierten pankratischen Systeme, welche durch einen relativ geringen Aufwand an optischen Mitteln gekennzeichnet sind ; mindestens eine Wirkungsgruppe wird längs der optischen Achse zwecks Erzielung des Zoomeffektes verschoben, während eine zweite Wirkungsgrup- pe lediglich zur Konstanthaltung der Bildlage längs der optischen Achse in Abhängigkeit von der erst- genannten Wirkungsgruppe verschoben wird ; die Realisierung dieses Prinzips erfordert einen komplizier- ten und dementsprechend kostspieligen Apparat. Anderseits sind die sogenannten optisch kompensierten pankratischen Systeme bekanntgeworden. L.
Bergstein hat in seiner"Allgemeinen Theorie der optisch kompensierten pankratischen Systeme" (Journal of the Optical Society of America, März 1958) nachge- wiesen, dass bei einem pankratischen System aus n abwechselnd ortsfesten und verschiebbaren Wirkungs- gruppen. welch letztere miteinander starr verbunden sind, das Bild während der Verschiebung der be- wegbaren Wirkungsgruppen n mal am gleichen Ort entsteht ; diese vergleichsweise einfache und billige mechanische Lösung muss also durch eine grosse Anzahl von Wirkungsgruppen erkauft werden ; dennoch reicht die Abbildungsqualität der optisch kompensierten Systeme selbst bei beträchtlichem Aufwand an optischen Mitteln an die Abbildungsqualität mechanisch kompensierter Systeme im allgemeinen nicht heran.
Im Stammpatent Nr. 244623 ist ein weiterer Typus pankratischer Systeme beschrieben worden, welcher insofeme eine Mittelstellung zwischen den optisch und den mechanisch kompensierten Systemen einnimmt, als der prinzipielle Aufbau eine gewisse Verwandtschaft mit den von Gramatzki beschrie- benen Transfokatoren aufweist ("Probleme der konstruktiven Optik", Berlin, 1957, S. 116 bis 118, ferner deutsche PatentschriftNr. 622 046 undNr. 676 946), die konstante Bildlage aberdurch eine geringfügige Abweichung von der Linearität der Bewegung der zweiten verschiebbaren Wirkungsgruppe erzielt wird.
Die von Gramatzki beschriebenen Systeme sind aus vier Wirkungsgruppen aufgebaut, deren erste ortsfest und von positiver Brechkraft von einer verschiebbaren negativen Wirkungsgruppe gefolgt ist ; zu letztgenannter gegenläufig, jedoch in linearer Abhängigkeit bewegt wird eine positive Wirkungsgruppe, auf welche eine ortsfeste Wirkungsgruppe negativer Brechkraft folgt ; für heutige Verhältnisse unbe friedigend ist
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belegte vierfache Bereich ist jedoch praktisch kaum zu verwirklichen, da die der Synthese zugrunde gelegten unendlich dünnen Linsen infolge der heute üblichen hohen Anforderungen an Öffnung und Bildfeld durch mehrlinsige komplexe Wirkungsgruppen ersetzt werden müssen.
Das erfindungsgemässe System ist nun in ähnlicher Weise aus vier Wirkungsgruppen aufgebaut, derart, dass zwischen einer dem Objekt zugewendeten ortsfesten positiven und einer ortsfesten negativen Wirkungsgruppe eine negative und eine positive Wirkungsgruppe längs der optischen Achse gegenläufig verschoben werden ; die beiden verschiebbarenGlieder tragen in etwa gleichen Massen zur Variation der Vergrösserung bei ; dieser Umstand ist als kennzeichnende Eigenschaften optisch kompensierter pankratischer Systeme zu werten.
Wird das dritte Glied in linearer Abhängigkeit von der Stellung des zweiten Gliedes verschoben, so entsteht das reelle Zwischenbild hinter dem dritten Glied zweimal am gleichen Ort im Verlauf der Vergrösserungsvariation. Erfährt nun die Bewegung des dritten Gliedes gemäss dem Stammpatent eine geringfügige, mechanisch leicht realisierbare Korrektur, dann kann der ideale Bildort des im wesentlichen schon optisch kompensierten pankratischen Systems mit einfachen Mitteln über den ganzen Variationsbereich hin streng eingehalten werden. Die Ausgleichsbewegung hängt von der Brennweite des dritten Gliedes ab und ist als eine Funktion zweiter Ordnung darstellbar.
Naturgemäss ist es auch möglich, die Korrekturbewegung der Verstellbewegung des zweiten Gliedes zu überlagern.
Während das als Ausführungsbeispiel zum Stammpatent Nr. 244623 beschriebene Objektivsystem nur einen Vergrösserungsbereich von 1 : 2 aufweist, ist es ein Ziel der Erfindung, einen Vergrösserungsbereich mit dem Faktor 8 oder grösser zu erreichen.
Dieses Ziel wird erfindungsgemäss dadurch erreicht. dass a) das positive Frontglied in an sich bekannterweise aus einer an erster Stelle stehenden nega- tiven Komponente und einer im Abstand von dieser angeordneten positiven gebildet ist, wobei die Brennweite der negativen Komponente etwa -4200/0 fI'die der positiven Kompo- nente etwa 90 fI beträgt, wobei fl die Gesamtbrennweite des Frontgliedes bezeichnet und der Abstand e zwischen den zugehörigen Hauptpunkten der beiden Teilgruppen der Bedin- gung
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genügt, b) das an zweiter Stelle stehende verschiebbare negative Glied aus einem negativen Meniskus der konvex gegen das einfallende Licht gekrümmt ist, und aus einer bikonvexen und einer mit dieser verkitteten bikonkavenLinse besteht,
sowie einer nahezu gleichseitig bikonkaven
Linse aufgebaut ist, wobei die Brechkraft $ der verkitteten Komponente und die Brech- kraft < der Bikonkavlinse folgende Bedingung erfüllen :
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c) das dritte, positive Glied aus einer bikonvexen Linse und einem positiven Meniskus aufge- baut ist, deren Brechkräfte annähernd gleich gross sind, d) das vierte, negative Glied aus einer einfachen Bikonkavlinse besteht, deren schwächer ge- krümmte Fläche dem dritten Glied zugekehrt ist.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zweier typischer Ausführungsbeispiele, wobei auf die Zeichnungen Bezug genommen wird.
Die Fig. 1 bis 3 zeigen Axialschnitte der erfindungsgemässen Objektive, wobei die Fig. l die Objektivglieder in der Weitwinkeleinstellung, die Fig. 2 diese Glieder in der Telestellung veranschaulicht, wobei das Objektiv jeweils auf unendlich ferne Objekte fokussiert ist. Fig. 3 zeigt das Objektiv in einer Einstellung auf extrem nahe Objekte. Die Fig. 4 und 5 zeigen den Korrektionszustand (sphärische Aberration und Sinusbedingung ; Astigmatismus ; Verzeichnung) des Objektivs bei einer Brennweite von f = 10 sowohl für eine Fokussierung auf unendlich ferne Objekte (Fig. 4) als auch auf extrem nahe Objekte (Fig.5). Die Fig. 6 zeigt schliesslich die Stellung der verschiedenen Objektivglieder bei Verändern der Brennweite von der Weitwinkel- bis zur Teleeinstellung (Pos.
A bis E) und bei Fokussierung auf extrem nahe Objekte (Pos. A bis Ac).
Wie aus der eingangs erfolgten Beschreibung des geometrischen Aufbaues hervorgeht, sind lediglich die verschiebbaren Glieder-II und III-- für die achtfache Dehnung massgeblich, während die Glie- der--I, IV-- und das Grundobjektiv-V-einen ortsfesten Rahmen um die verschiebbaren Glieder bilden
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und die absolute Grösse der Brennweite des Gesamtsystems bestimmen. Dabei ist die Brennweite des Gliedes --1-- der Brennweite des Gliedes --IV-- direkt, der Brennweite des Grundobjektivs --V-- je- doch verkehrt proportional. Die gewünschte Brennweite des Gesamtsystems kann also jeweils durch eine beliebige Kombination von Brennweiten der Glieder--I, IV und V-erreicht werden.
Durch das Verhältnis von fI : fV lässt sich der Durchmesser des Gliedes --I-- wesentlich beeinflussen, nämlich derart, dass eine möglichst starke Brechkraft des Gliedes --1-- den Durchmesser desselben reduziert ; daraus ergibt sich notwendig eine Schwächung der Brechkraft des Grundobjektivs --V--. Das Verhältnis der beiden Brennweiten soll durch die Ungleichung
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abgegrenzt sein.
Die Einhaltung dieser Bedingung bewirkt sowohl konstruktive als auch korrektive Vorteile, da eine lange Brennweite des Grundobjektivs infolge schwächerer Einzelkrümmungen eine leichtere Behebung der Bildfehler sowie eine wirtschaftlichere Fertigung gestattet ; desgleichen bewirkt der relativ kleinere Durchmesser des Gliedes --1-- nicht nur eine Reduktion der Fertigungskosten sowie des Gewichtes des Objektivs, sondern auch eine leichtere Beherrschung der schiefen Bündel.
Gemäss einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung soll der pankratische Vorsatz in Verbindung mit einem geeignetenGrundobjektiv photographische Aufnahmen in einem Entfemungsbereich von unendlich bis wenige mm (Abstand vom ersten Linsenscheitel) ohne Einbusse an Abbildungsqualität ermöglichen.
Bisher wurde das Problem der Naheinstellung derart gelöst, dass Entfernungen bis zu etwa 1 m durch Verstellung des objektseitigen Gliedes und noch kürzere Entfernungen durch Verwendung von Vorsatzlinsen erfasst wurden. Dieses von der jeweiligen Brennweiteneinstellung des Zoomobjektivs unabhängige Verfahren ist bis zu einem Abbildungsmassstab von etwa 1 : 10 anwendbar. Darüber hinaus ist mit einer nicht zu vernachlässigenden Beeinträchtigung der Abbildungsqualität zu rechnen.
Anderseits sind Methoden bekanntgeworden, die bei pankratischen Objektiven mit kleinem Brenn-
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4)statten. Hiebei wird die Fokussierung durch Verschieben eines innenliegenden Objektivgliedes erzielt, welches zum Zwecke der Brennweitenänderung schiebbar gelagert ist.
Diese bekannte Methode ist auf pankratische Systeme mit einem Brennweitenbereich grösser als 1 : 4 nicht anwendbar.
Es wurde festgestellt, dass auch bei Objektiven des eingangs beschriebenen Typs mit einem Brennweitenbereich von 1 : 8 eine solche "Makroeinstellung" möglich ist, wenn gleichzeitig folgende Bedingungen eingehalten werden :
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Glied I (r. bis r) : Um die Brennweite des Gliedes --I-- möglicht kurz gestalten zu können, muss dieses nach Art eines Weitwinkelobjektivs so ausgebildet werden, dass die bildseitige Schnittweite länger als die Brennweite des Gliedes --I-- ist. Dieser Effekt lässt sich in bekannter Weise dadurch erzielen,
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weite des zusammengesetzten Gliedes doch soll der Abstand-e-- durch die Bedingung
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abgegrenzt werden.
Die negative Komponente --I1-- ist aus einer bikonkaven und einer bikonvexen Linse --I1,1bzw. I1,2-derart aufgebaut, dass sich zwischen beiden Linsen ein dem einfallenden Licht zu konvexer Luftmeniskus negativer Brechkraft befindet, dessen Radien der Bedingung
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genügen. Die positive Komponente --I2-- besteht aus einer gleichseitig bikonvexen Linse --12, 1-- und einem positiven Meniskus--i",--. dessen Flächen konvex gegen das einfallende Licht sind, wobei die Bedingung
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ti diend > 1, 6 v < 40 während die beiden Linsen der positiven Komponente --I2-- aus Gläsern mit nd > 1, 6 vd > 40 bestehen.
Glied II (r bis r a) ist aufgebaut aus einem negativen Meniskus-II-, der konvex gegen das einfallende Licht gekrümmt ist und aus einer bikonvexen und einer bikonkaven Linse --II1,1 bzw. II1,2--, die miteinander verkittet sind, besteht, und einer nahezu gleichseitig bikonkaven Linse --II2--.
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cPEinzellinse --II2-- des Gliedes --II-- sind. Die Behebung der sphärischen Aberration bei gleichzeitiger anastigmatischer Bildfeldebnung wird durch Einhaltung der Bedingung
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gewährleistet, worin #10 bzw. #11 die Brechkraft der 10. bzw. 11. Fläche bezeichnen. Alle drei Linsen bestehen aus einem Glas mit
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Glied III (I14 bis I12) ist infolge der zusätzlichen Verschiebung zum Zwecke einer Fokussierung auf extrem nahe Objekte (Makroeinstellung) einer zusätzlichen Belastung ausgesetzt ; es ist daher vorteilhaft, diese Linsengruppe im wesentlichen stabil achromatisch zu gestalten, um die Behebung der Farbfehler nicht nur über den ganzen Brennweitenbereich hin, sondern auch für alle Objektlagen zwischen Unendlich und wenigen Millimetern vor dem ersten Linsenscheitel zu gewährleisten.
Im erfindungsgemässen Beispiel ist das Glied III aus einem gegen das einfallende Licht konvex gekrümmten negativen Meniskus --III1,1-- und einer mit diesem verldtteten, im wesentlichen gleichseitig bikonvexen Linse --III1,2-- sowie einem freistehenden, gegen das einfallende Licht konvex gekrümmten positiven Meniskus-III,- aufgebaut. Die Brechkräfte der achromatisierten Linse und des positiven Meniskus --III2-- sind annähernd gleich gross :
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wenn W die Brechkraft der verkitteten Komponente --III1-- und #III2 die Brechkraft des freistehen- den Meniskus --III2-- bezeichnen.
Ferner sei
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wenn bibi dite Brechkraft des negativen Meniskus --III. -- und #III die Brechkraft der mit diesem verldtteten Bikonvexlinse --III1,2-- bezeichnet.
Die Form des positiven Meniskus --III2-- ist durch die Ungleichung 13rj < ir < 15r festgelegt.
Alle drei Linsen des Gliedes --III-- bestehen aus Glas mit nd > 1, 65
Glied IV (r19 bis r20) eine einfache Bikonkavlinse, wendet seine schwächer gekrümmte Fläche, die zur stärker gekrümmten durch die Bedingung
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Zwischen dem pankratischen Vorsatz und dem Grundobjektiv ist jeweils ein planparalleles Glasprisma, dessen Dicke d21 = 8, 2 ist, angeordnet. Der Brechungsindex nd = 1, 569, die Abbe'sehe Zahl v = 56, 1. Der Abstand d zum letzten Linsenscheitel des Vorsatzes beträgt d20 = 1, 9, der Abstand
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Der minimale Abstand eines Objektes vom ersten Linsenscheitel beträgt s = 9, 48 mm.
DerKorrektionszustand für die Unendlich - sowie für die Makroeinstellung ergibt sich aus den Fig. 4 bzw. 5.
Die Bewegungsgesetze für die Brennweiten sowie für die Makroeinstellung sind der Fig. 6 zu entnehmen (Pos. A bis E bzw. A bis Ac).
PATENTANSPRÜCHE :
1. Pankratisches Vorsatzobjektiv mit stetig veränderbarer Vergrösserung, das nach Art eines Galilei'schen Fernrohres aufgebaut ist, gemäss Patent Nr.244623, dadurch gekennzeichnet, dass a) das positive Frontglied (I) in an sich bekannter Weise aus einer an erster Stelle stehenden
Komponente (I1) und einer im Abstand von dieser angeordneten positiven (I2) gebildet ist, wobei die Brennweite der negativen Komponente etwa -420% fI, die der positiven Kompo- nente etwa 90% fI beträgt, wobei f die Gesamtbrennweite des Frontgliedes bezeichnet und den Abstand e zwischen den zugehörigen Hauptpunkten der beiden Teilgruppen der Be- dingung
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genügt, b) das an zweiter Stelle stehende verschiebbare negative Glied (II) aus einem negativenMenis- kus (IIj)
der konvex gegen das einfallende Licht gekrümmt ist, und aus einerbikonvexen und einer mit dieser verkitteten bikonkaven Linse (H bzw. II.,) besteht, sowie einer nahezu gleichseitig bikonkaven Linse (H) aufgebaut ist, wobei die Brechkraft #III der ver- kitteten Komponente und die Brechkraft # II2 der Bikonkavlinse folgende Bedingung erfül- len :
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c) das dritte, positive Glied (III) aus einer bikonvexen Linse (III) und einem positiven Menis- kus (III,) aufgebaut ist, deren Brechkräfte annähernd gleich gross sind, d) das vierte, negative Glied (IV) aus einer einfachen Bikonkavlinse besteht, deren schwächer gekrümmte Fläche dem dritten Glied zugekehrt ist.