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Die Erfindung betrifft ein Zoomobjektiv
mit einer Frontlinsengruppe, die eine Negativlinse und zwei positive
Linsen aufweist, einem negativen Variator, einem positiven Kompensator,
einem Grundobjektiv positiver Brechkraft und einer Blende.
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Aus dem allgemeinen Stand der Technik
sind zahlreiche Zoomobjektive bereits bekannt. Je nach Anforderung
müssen
die Zoomobjektive bestimmte Eigenschaften erfüllen.
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Zoomobjektive für die Fotografie besitzen typischer
Weise einen Zoomfaktor von 2 bis 4. Die Austrittspupillenlage ist
hier nicht telezentrisch gestaltet. Bei diesen Zoomobjektiven soll
die Baulänge
möglichst
kurz gehalten werden.
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Weiterhin sind Zoomobjektive für Videoaufnahmen,
beispielsweise Camcorder, aus dem allgemeinen Stand der Technik
bekannt. Die dabei verwendeten CCD-Detektoren besitzen einen Bilddurchmesser
von höchstens
11 mm. Der Zoomfaktor ist hier meistens mit 10 angegeben, wobei
der Brennweitenbereich bei bekannten Fabrikaten von 3 mm bis 50
mm reicht.
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Bei Zoomobjektiven für Fernsehaufzeichnungen
liegt der Zoomfaktor für
derartige Objektive bei etwa 20 bis 30. Die hierbei verwendeten
CCD-Detektoren besitzen einen Bilddurchmesser von typischer Weise
11 mm. Die Fokussierung erfolgt hier in der Regel durch die Frontgruppe.
Um ein Farbenteilerprisma zwischen einer letzten Linse und einem
Detektor einbauen zu können,
müssen
diese Objektive eine lange Schnittweite besitzen.
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Afokale Zoomobjektive werden häufig in
der Geräteoptik
als Teilkomponente eingesetzt. Bei derartigen Systemen kann die
Blendenlage beim Zoomvorgang verändert
werden.
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Jedes aufgeführte Zoomobjektiv für sich allein
entspricht nicht den gewünschten
Eigenschaften eines Zoomobjektivs für die militärische Aufklärung. Es
ist auch nicht möglich,
durch wenige und einfache Umrechnungen mittels bekannter Optikrechenprogrammen
bei den genannten Zoomobjektiven andere Eigenschaften zu erzeugen.
Des weiteren sind die Mehrzahl der afokalen Zoomobjektive im Durchmesser
zu klein, um in Kombination mit einem Objektiv geeigneter Brennweite über einen
Brennweitenbereich bis ca. 280 mm eine konstante Öffnungszahl
zu erreichen.
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Erfindungsgemäße Zoomobjektive für militärische Aufklärungen sollen
bestimmte optische Eigenschaften, wie beispielsweise einen Zoomfaktor von
8, einen Brennweitenbereich von 34 mm bis 272 mm, eine Öffnungszahl
von mindestens 3,2 und in einem Wellenlängenbereich von 450 nm bis
750 nm eine hervorragende optische Abbildungsqualität aufweisen.
Des weiteren müssen
für derartige
Zoomobjektive spezielle mechanische Eigenschaften, wie Integration
in einen kompakten Bauraum, geschaffen werden. Eine wichtige Rolle
spielen außerdem
die Umweltbedingungen. Zoomobjektive für die militärische Aufklärung müssen ihre
Funktion in einem großen
Temperaturbereich von starker Kälte
bis übermäßiger Hitze
gewährleisten.
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Demgemäß ist es Aufgabe der Erfindung,
ein Zoomobjektiv zu schaffen, welches die Forderungen bezüglich Zoomfaktor,
Brennweitenbereich, Öffnungszahl,
Bilddurchmesser, telezentrische Lage der Austrittspupille und Fokussiereigenschaften
erfüllt, wobei
der begrenzt zur Verfügung
stehende Bauraum möglichst
klein gehalten werden soll und das Zoomobjektiv in einem Temperaturbereich
von –35°C bis +75°C funktionsfähig sein
soll.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass das Grundobjektiv in zwei Gruppen aufgeteilt ist, wobei zwischen
der ersten Gruppe und der zweiten Gruppe ein Luftabstand vorliegt,
in dem ein strahlumlenkendes optisches Element eingebracht ist und
wobei die zweite Gruppe des Grundobjektivs in einem Winkel α zur ersten
Gruppe des Grundobjektivs angeordnet ist.
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Das Zoomobjektiv besteht aus einer
Frontgruppe, einem Variator, einem Kompensator und einem Grundobjektiv,
wobei das Grundobjektiv in zwei Gruppen mit jeweils positiver Brechkraft
geteilt ist. Durch die Zweiteilung des Grundobjektives entsteht zwischen
der ersten und der zweiten Gruppe ein größerer Luftabstand. Die zweite
Gruppe des Grundobjektivs ist in einem bestimmten Winkel zur ersten Gruppe
des Grundobjektivs angeordnet, wobei sich somit in vorteilhafter
Weise eine wenigstens annähernd
L-förmige
Anordnung des Zoomobjektives ergeben kann. In dem Luftabstand zwischen
der ersten und der zweiten Gruppe befindet sich in vorteilhafter Weise
ein Planspiegel zur Strahlumlenkung.
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Mit einer derartigen Anordnung können die speziellen
Eigenschaften für
ein Zoomobjektiv zur militärischen
Aufklärung
realisiert werden, wobei sich somit ein Zoomobjektiv mit hoher Abbildungsqualität, kompakten
Bauraum aufgrund des Winkels α,
großem
Zoomfaktor und großem
Spektralbereich ergibt.
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In vorteilhafter Weise kann vorgesehen
sein, dass der Luftabstand zwischen der ersten und der zweiten Gruppe
des Grundobjektivs wenigstens 15 Prozent der Baulänge des
gesamten Objektivs, gemessen vom ersten Linsenscheitel bis zu einer
Bildebene, beträgt.
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Die Brechkräfte der beiden Gruppen des Grundobjektivs
sind so zu wählen,
dass ein möglichst großer Luftabstand
zwischen den beiden Gruppen ermöglicht
wird. Der Luftabstand sollte mindestens 15 Prozent der Baulänge des
Objektivs betragen. Somit ist es möglich, dass in diesem Luftabstand
ein strahlumlenkendes optisches Element eingebracht werden kann
und damit ein möglichst
geringer und kompakter Bauraum geschaffen wird.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und
Weiterbildungen ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen und
den nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig beschriebenen Ausführungsbeispiel.
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Es zeigt:
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1 eine
prinzipmäßige Darstellung
eines Zoomobjektives für
die militärische
Aufklärung
(Linsenschnitt); und
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2a Linsenschnitt
eines Zoomobjektivs bei drei Brenn- bis 2c weitenstellungen,
wobei
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2a entspricht
f = 34 mm;
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2b entspricht
f = 122 mm und
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2c entspricht
f = 272 mm.
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1 zeigt
eine prinzipmäßige Darstellung eines
erfindungsgemäßen Zoomobjektives
ZO im Linsenschnitt für
die militärische
Aufklärung.
Das Zoomobjektiv ZO besteht aus einer Frontgruppe G1 mit positiver
Brechkraft, einem Variator G2 mit negativer Brechkraft, einem Kompensator
G3 mit positiver Brechkraft, einem Grundobjektiv G4 mit positiver Brechkraft
und einem optischen Filter 20. Die Frontgruppe G1 ist aus
einer Negativlinse 1 und zwei Positivlinsen 2 und 3 aufgebaut.
Die Negativlinse 1 und die Positivlinse 2 sind
ein aufgespaltenes Kitt-Glied. Aufgrund des großen Unterschiedes im Koeffizient der
thermischen Längenausdehnung α der beiden Linsen 1 und 2 ist
dies vorteilhaft. Die positiven Linsen 2 und 3 sind
aus Fluorkron (FK) oder einem vergleichbaren Material bezüglich anormaler
Teildispersion hergestellt.
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Der Variator G2 besteht aus zwei
Kitt-Gliedern, wobei jedes Kitt-Glied eine negative Brechkraft aufweist.
Die positiven Linsen 4 und 7 der beiden Kitt-Glieder
sind aus hochbrechenden Schwerflint (SF)- Gläsern mit Langkroncharakter
hergestellt. Eine Glasart besitzt Langkroncharakter, wenn für die Abweichung
der relativen Teildispersion ΔPg,F von der Normalgeraden gilt: ΔPg,F > 0.
Die negativen Linsen 5 und 6 besitzen Kurzflintcharakter,
wie das z. B. Lanthan-Schwerflint (LaSF) ist. Somit besitzt eine
Glasart Kurzflintcharakter, wenn für ΔPg,F gilt: ΔPg,F < 0.
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Der Kompensator G3 ist vorzugsweise
als Kitt-Glied einer positiven Linse 8 und einer negativen Linse 9 ausgeführt.
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Das Grundobjektiv G4 ist in zwei
Gruppen aufgeteilt. Zwischen einer ersten Gruppe G4.1 und einer
zweiten Gruppe G4.2 ist ein größerer Luftabstand
zum Einbringen eines Planspiegels 18 zur Strahlumlenkung
vorgesehen. Die realisierte Strahlumlenkung beträgt in diesem Ausführungsbeispiel 105°. Somit entsteht
ein L-förmiger
Aufbau des Zoomobjektives ZO. Die beiden Schenkel des L-förmigen Bauraums
bilden somit einen spitzen Winkel von 75°. Die Strahlumlenkung kann selbstverständlich auch
durch ein Umlenkprisma anstatt des Planspiegels 18 erfolgen.
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Zwischen dem Kompensator G3 und dem Grundobjektiv
G4 befindet sich eine Irisblende 19. Die Irisblende 19 wird
durch das Grundobjektiv G4 so abgebildet, dass ihr Bild nahezu im
Unendlichen (∞) erscheint.
Aufgrund von Pupillenaberrationen kann nicht für alle Schwerestrahlen 22,
welche in den 2a bis 2c dargestellt sind, bildseitig
ein telezentrischer Strahlenverlauf erzeugt werden. Als Schwerestrahl 22 wird
der Strahl bezeichnet, der mittig zwischen einem oberen und einem
unteren Komastrahl verläuft.
Die Position der Irisblende 19 sollte so gelegt werden,
dass eine Abweichung von der Telezentrie so gering wie möglich ist.
Die Abweichung von der Telezentrie sollte maximal 1,7° betragen.
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Bei der Brennweitenvariation wird
die Lage und Größe der Irisblende 19 nicht
verändert.
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In den 2a bis 2c sind Linsenschnitte bei drei
Brennweitenstellungen dargestellt.
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In 2a beträgt die Brennweite
f = 34 mm. Der erste Teil G4.1 des Grundobjektivs G4 besitzt eine
positive Brechkraft und besteht aus einer Einzellinse 10 mit
positiver Brechkraft und einem Kitt-Glied, welches aus den Linsen 11 und 12 zusam mengefügt ist,
mit positiver Brechkraft. Die Einzellinse 10 ist aus Fluorkron
(N-FK51) hergestellt. Die positive Linse 12 im Kitt-Glied
ist aus Phosphat-Schwerkron (N-PSK53) und die negative Linse 11 aus
Lanthan-Flint (N-LAF2). Die Bezeichnungen der Glasarten entspricht
dem Schott-Glaskatalog. Die Linsen 10, 11 und 12 können selbstverständlich auch
aus anderen Glasarten mit vergleichbaren Eigenschaften hergestellt
sein. Wichtig zu beachten ist dabei die anormale Teildispersion.
Werden Gläser
von anderen Herstellern, beispielsweise OHARA, eingesetzt, so ist
darauf zu achten, dass die Brechzahl nd,
die Dispersion νd und die anormale Teildispersion ΔPg,F um höchstens
10% abweichen.
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Der zweite Teil G4.2 des Grundobjektives
G4 besitzt insgesamt eine positive Brechkraft und dient vorzugsweise
als Fokusgruppe. Der zweite Teil G4.2 kann entlang einer optischen
Achse 23 bewegt werden, um so die Bildlage zu halten, die
sich bei Temperatur- und Luftdruckänderung verschiebt. Da die Brechzahlen,
die Dicken und die Radien der einzelnen Linsen temperaturabhängig sind,
kommt es zu einer Verschiebung der Bildlage bei Temperatur- und Luftdruckänderung.
Bei großen
Temperaturen, beispielsweise bei ca. +60°C, liegt somit die Bildlage nicht
mehr auf einer Detektorebene 21, sondern dahinter. Bei
geringen Temperaturen von ca. –20°C befindet
sich die Bildebene ebenfalls nicht auf der Detektorebene 21,
sondern zwischen dem Filter 20 und der Detektorebene 21.
Ebenso kann mit der Fokusgruppe G4.2 auf nah entfernte Objekte scharf
gestellt werden. Somit ist eine Innenfokussierung realisiert, mit
der Temperatur- und Luftdruckänderungen
ausgeglichen werden können
und ebenso auf nah entfernte Objekte eingestellt werden kann. Die
Brennweitenvariation und die Innenfokussierung sind von einander
unabhängig.
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Die Fokusgruppe G4.2 besteht aus
einer meniskenförmigen
Linse 13, einer positiven Linse 14, welche aus
Fluorkron (FK) hergestellt ist, einem Kitt-Glied aus den beiden
Linsen 15 und 16 und einer negativen Linse 17.
Die Glasart der meniskenförmigen
Linse 13 besitzt Langkroncharakter. Die Glasart der negativen Linse 17 besitzt
Kurzflintcharakter.
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Der optische Filter 20 ist
ein Absorptionsfilter, bestehend aus einem Farbglas mit aufgedampftem Kantenfilter.
Das Farbglas ist vorzugsweise ein Gelbglas. Dieses Langpassfilterglas
zeichnet sich dadurch aus, dass es im kurzwelligen Spektralbereich niedrige
Transmission und im langwelligen Spektralbereich hohe Transmission
aufweist. Hier kann natürlich
bezüglich
des eingesetzten Farbglases gewählt werden,
welcher Spektralbereich durchgelassen und welcher gesperrt werden
soll. Das Gelbglas schwächt
dementsprechend das blaue und violette Licht. Somit begrenzt das
Farbglas den Spektralbereich nach Ultraviolett (UV). Prinzipiell
können
auch andere Farbgläser
verwendet werden. Geringe Unterschiede in der Brechzahl der Farbgläser können mit
der Fokusgruppe G4.2 ohne Verlust an Abbildungsqualität kompensiert
werden. Das aufgedampfte Kantenfilter begrenzt den Spektralbereich
nach Infrarot (IR). Das hier erfindungsgemäße Zoomobjektiv ist für den Spektralbereich
von 450 nm bis 750 nm ausgelegt. Innerhalb dieses Bereiches kann
durch Farbglasauswahl und Kantenverschiebung ein kleinerer Spektralbereich
gewählt
werden. Es ist auch möglich,
den Spektralbereich auf 500 nm bis 850 nm zu verschieben. Die Änderung
der Bildlage kann mit der Fokusgruppe G4.2 ausgeglichen werden.
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Für
bestimmte Anwendungen, beispielsweise für ein Periskop in U-Booten,
ist es notwendig auf dem Detektor 21 einen Bildversatz
zu erzeugen. Der Bildversatz wird durch Kippen oder Drehen des Filters 20 erreicht.
Um den Kippwinkel möglichst
klein zu halten, sollte eine große Filterdicke vorhanden sein.
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Der Luftraum zwischen der letzten
Linse 17 des Grundobjektives G4 und dem Detektor 21 sollte hinsichtlich
Fokussierbewegung der Fokusgruppe G4.2, der Dicke und der Dreh-
bzw. Kippbewegung des optischen Filters 20 und des Einbauraumes
des Detektors 21 je nach spezieller Eigenschaft und Brennweite
des Zoomobjektives ZO optimiert werden.
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Die Brechkraft und die Lage der vorderen Hauptebene
des geteilten Grundobjektives G4 bilden die in geringem Abstand
vor dem Grundobjektiv G4 befindliche Blende 19 nach unendlich
oder nahezu nach unendlich ab. Während
des Zoom-Vorgangs sollte die Lage der Irisblende 19 nicht
verändert
werden, da die Irisblende 19 die auf das Grundobjektiv G4
auftreffenden Strahlen begrenzt. Die Irisblende 19 sollte
so in dem Gesamtobjektiv ZO eingebracht werden, dass auf dem Detektor 21 die
Voraussetzung der Telezentrie bestehen bleibt.
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An bestimmter Stelle werden in den
einzelnen Linsengruppen des Zoomobjektivs ZO Glasarten verwendet,
die Langkron- bzw. Kurzflintcharakter besitzen. Bei Glasarten, die
zusammengekittet werden sollen, sollte beachtet werden, dass die
Differenz des Koeffizienten α der
thermischen Längenausdehnung von
beiden Glasarten kleiner als 2,5·10–6 /K
ist, da das Zoomobjektiv ZO in einem relativ großen Temperaturbereich genutzt
wird. Ist die Differenz der thermischen Längenausdehnungskoeffizienten
beider Glasarten größer als
2,5·10–6/K
kann keine dauerhafte Kittung bei den Glasarten erfolgen.
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Bei kurzen Brennweiten des Zoomobjektivs ZO
liegt der Schwerpunkt auf der Korrektion des Farbenquerfehlers,
da der bildseitige Hauptstrahl farbenabhängig zur optischen Achse bei
der Abbildung eines achsenfernen Objektpunktes geneigt ist. Der Farbenquerfehler
führt für jede Farbe
zu einem Abbildungsmaßstab.
Bei langen Brennweiten des Zoomobjektives ZO sollte der Schwerpunkt
auf der Korrektion des Farbenlängsfehlers
liegen, da die Brennweite des Zoomobjektives ZO von der Frequenz
des Lichtes abhängt.
Somit ist die Brennweite für
kurzwelliges, also blaues Licht kleiner als für langwelliges, rotes Licht.
Allerdings kann eine Farbkorrektion vollständig erreicht werden, wenn
Glasarten mit anormaler Teildispersion verwendet werden. Derartige
Glasarten haben entweder Langkron- oder Kurzflintcharakter.
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Die Frontgruppe G1, der Variator
G2, der Kompensator G3 und die erste Gruppe G4.1 des Grundobjektivs
G4 befinden sich im langen Schenkel des L-förmigen Bauraums. Die zweite
Gruppe G4.2 des Grundobjektivs G4, der optische Filter 20 und
der Detektor 21 sind im kurzen Schenkel des L-förmigen Bauraumes
integriert. Der lange Schenkel besitzt eine maximale Länge von
245 mm, wobei der kurze Schenkel eine maximale Länge von 115 mm besitzt. Je
nach gewünschter
Ausführung
des Zoomobjektives ZO können
die Längen
der Schenkel verändert werden.
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Der verfügbare Einbauraum für die Linsen der
Gruppen G1, G2, G3 und G4 wird weiterhin durch die Lage und Größe des Planspiegels 18 bzw.
des Umlenkprismas und durch die Einschränkungen, die im Luftraum zwischen
der Linse 17 und dem Detektor 21 gelten, begrenzt.
Der Durchmesser der Frontgruppe G1 sollte maximal 90 mm betragen,
der vom Variator G2, vom Kompensator G3 und vom Grundobjektiv G4
sollte auf maximal 45 mm begrenzt werden.
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In 2b beträgt die Brennweite
des Zoomobjektivs ZO f = 122 mm. Um diese Brennweite realisieren
zu können,
wird der Variator G2 und der Kompensator G3 in Richtung des ersten
Teiles G4.1 des Grundobjektives G4 verschoben. Der Abstand zwischen
dem Variator G2 und dem Kompensator G3 ist minimal im Vergleich
zu 2a kleiner geworden.
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Die Brennweite des Zoomobjektives
ZO beträgt
in 2c f = 272 mm. Die Öffnungszahl
beträgt hier
3,2. Um eine Brennweite von f = 272 mm zu erreichen, wird der Variator
G2 dicht an den Kompensator G3 entlang der optischen Achse verschoben. Auch
hier sind, wie in den 2a und 2b, zur Darstellung des Lichtweges
ein Strahlenbündel 22' und ein Schwerestrahl 22 eines
weiteren nicht dargestellten Strahlenbündels, abgebildet.
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Der Winkel α zwischen dem langen Schenkel und
dem kurzen Schenkel des L-förmigen
Einbauraumes beträgt
bei allen drei Figuren 75°.
In vorteilhafter Weise kann der Winkel auch vari abel ausgeführt sein.
Beispielsweise kann der Winkel einen Wert von 85° besitzen, wobei aber bedacht
werden sollte, dass die Fokussiereigenschaften noch realisiert werden
können.
Wenn keine Voraussetzung zur Begrenzung des Bauraumes vorliegt,
ist es auch möglich,
dass keine Strahlumlenkung erfolgen muss. Somit ist auch kein Planspiegel 18 zur
Strahlumlenkung nötig.
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Als Empfänger 21 wird ein CCD-Detektor verwendet,
dessen Bilddiagonale 21,45 mm beträgt.
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Es kann durch diesen Aufbau ein Zoomobjektiv
ZO realisiert werden, das den Forderungen bezüglich des Zoomfaktors, des
Brennweitenbereichs, der Öffnungszahl,
des Bilddurchmessers, der telezentrischen Lage der Austrittspupille
und der Fokussiereigenschaften beispielsweise für die militärische Aufklärung genügt. Des
weiteren kann durch diesen Aufbau eine sehr gute polychromatische
Korrektion des Zoomobjektives ZO erreicht werden.