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Projektionsobjektiv Die Erfindung bezieht sich auf ein Projektionsobjektiv
mit großer Apertur, das hinsichtlich sphärischer und chromatischer Aberrationen,
Koma, Astigmatismus und Bildfeldwölbung gut korrigiert ist und für die Verzeichnung
eine mäßige Korrektion über einen halben Öffnungswinkel von nicht mehr als 10° besitzt.
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Es sind Projektionsobjektive mit großer Apertur bekannt, die ein vorderes
Objektivglied aufweisen, das aus einer sammelnden Komponente und einer hinter dieser
angeordneten, nach vorn konvexen Meniskuskomponente besteht, und deren hinteres
Objektivglied aus einer dicken, stark konvergenten Komponente besteht. Solche Projektionsobjektive
mit großer Öffnung besitzen im allgemeinen eine starke Bildfeld-,völbung, die jedoch
dadurch bis zu einem gewissen Grade verringert wurde, daß man ein entsprechendes
Maß an Astigmatismus mit der Bildfeldwölbung entgegengesetztem Vorzeichen einführte,
wodurch ein erheblicher Teil des bildformenden Lichtes- in einer Ebene fokussiert
wird. Diese Maßnahme besitzt jedoch den Nachteil, daß die Schärfe des Bildes nach
den Rändern hin beträchtlich abnimmt. Man hat deshalb an dem hinteren Ende von Projektionsobjektiven
der obengenannten Art und auch anderer Bauweisen eine zerstreuende Komponente angeordnet,
um die Bildfeldwölbung der Objektive zu verringern, ohne daß dabei eine merkliche
Zerstreuungswirkung auf das das Bild formende Strahlenbündel ausgeübt wird. In diesem
Fall war es jedoch nicht möglich, eine gute Korrektur für Aberrationen bei kleineren
Öffnungen als bei der jeweils größten Apertur des Objektivs zu erzielen.
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Es ist ferner ein für Projektionszwecke brauchbares Objektiv bekanntgeworden,
dessen hinteres Objektivglied eine stark konvergente Komponente aufweist, die hinter
einer konvergenten vorderen Komponente angeordnet ist, und dessen vorderes Objektivglied
eine vordere, sammelnde Komponente und eine hintere, zerstreuende Meniskuskomponente
aufweist, die nach vorn konkav ist. Dieses Objektiv besitzt den Nachteil, daß es
eine verhältnismäßig hohe Petzval-Summe aufweist und zur Erzielung einer bestimmten
Ebnung des Bildfeldes sehr teure Gläser mit extrem hohen Brechungsindizes verwendet
werden müssen, um Aberrationen an den Berührungsflächen in gewissem Maße auszugleichen.
Hieraus ergibt sich ein verhältnismäßig schlechter Ausgleich der Korrektion von
Aberrationen unterschiedlicher Zonen des Objektivs.
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Die Erfindung bezweckt, ein Projektionsobjektiv zu schaffen, das für
alle Öffnungen, einschließlich der größten Apertur, eine gute Korrektion hinsichtlich
aller primären Aberrationen, und zwar eine besonders gute Korrektion für Astigmatismus
und Bildfeldwölbung aufweist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung von einem Objektiv der
eingangs genannten Art aus, das aus einem vorderen Objektivglied besteht, das eine
vor einer Meniskuskomponente angeordnete sammelnde Komponente besitzt, und ein hinteres
Objektivglied aufweist, das aus einer sammelnden Komponente und einer hinter dieser
angeordneten zerstreuenden Komponente besteht, und sieht vor, daß die Meniskuskomponente
des vorderen Objektivgliedes nach vorn konkav ist und eine zwischen 0,3 F und 0,8
F liegende Dicke besitzt, wobei F die äquivalente Brennweite des ganzen Objektivs
ist, und daß die Vorderfläche der sammelnden Komponente des hinteren Gliedes nach
vorn konvex ist, wobei die Differenz aus der algebraischen Summe der Krümmungen
der vorderen Flächen der beiden Komponenten des hinteren Gliedes und der algebraischen
Summe der Krümmungen der hinteren Flächen dieser Komponenten nicht mehr als das
0,7-fache der äquivalenten Brechkraft des ganzen Objektivs beträgt, und daß der
Krümmungsradius der Vorderfläche der sammelnden Komponente des hinteren Gliedes
multipliziert mit dem um Eins vermehrten mittleren Brechungsindex des Werkstoffs
der durch diese Fläche begrenzten Linse sich um -weniger als. 0,3 F von der Differenz
zwischen der hinteren Brenn-%veite des vorderen Gliedes und dem axialen Zwischenraum
der beiden Glieder unterscheidet.
Die hier verwendeten Ausdrücke
»vorn« und »hinten« beziehen sich gemäß der üblichen Definition auf die Seite der
längeren bzw. der kürzeren Konjugierenden, so daß bei Gebrauch dieser Ausdrücke
für Projektionsobjektive das Licht durch das Objektiv von hinten nach vorn durchgeht.
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Bei einem Objektiv mit den oben beschriebenen Eigenschaften kann das
hintere Glied so ausgeführt sein, daß es einen Beitrag von Null oder praktisch Null
zu derPetzval-Summe desObjektivs liefert. Wenn daher die hintere Komponente des
vorderen Gliedes eine Meniskuskomponente ist, kann die Bildfeldwölbung des ganzen
Objektivs leicht in der gleichen Größenordnung erstellt werden wie diejenige der
vorderen Sammelkomponente des vorderen Gliedes allein, da eine solche Meniskuskomponente
des vorderen Gliedes so ausgebildet sein kann, daß sie nur eine sehr kleine äquivalente
Brechkraft besitzt. Die äquivalente Brennweite der Meniskuskomponente des vorderen
Gliedes besitzt vorzugsweise einen größeren Zahlenwert als 5 F, und die Krümmungsradien
der vorderen und hinteren Flächen dieser Komponente liegen bei jeder vorzugsweise
zwischen 0,33 F und F.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften des Objektivs ermöglichen ferner
eine gute KorrektionbeiAstigmatismus und Koma in der Weise, daß die Korrektion jeder
dieser Aberrationen für alle Aperturen einschließlich der größten Apertur des Objektivs
praktisch die gleiche bleibt.
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Der axiale Zwischenraum der beiden Glieder liegt vorzugsweise zwischen
0,2 F und 0,7 F, und der axiale Zwischenraum der beiden Komponenten des hinteren
Gliedes ist vorzugsweise geringer als 0,1 F.
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Die axiale Dicke der sammelnden Komponente des hinteren Gliedes beträgt
vorzugsweise zwischen 0,25 F und 0,6 F, wobei die Krümmung der Vorderfläche dieser
Komponente zahlenmäßig geringer ist als das 0,7fache der äquivalenten Brechkraft
des ganzen Objektivs.
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Die Differenz zwischen den Krümmungsradien der Flächen der hinteren
zerstreuenden Komponente des hinteren Gliedes besitzt vorzugsweise einen Zahlenwert
von nicht mehr als F, und die äquivalente Brennweite dieser Komponente ist vorzugsweise
ein Zahlenwert kleiner als 0,6 F.
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Zur Verbesserung der Korrektion von chromatischen Aberrationen ist
die Meniskuskomponente des vorderen Gliedes vorzugsweise eine Doppellinse, bei der
die mittleren Brechungsindizes der die beiden Elemente dieser Doppellinse bildenden
Werkstoffe sich um nicht mehr als 0,03 voneinander unterscheiden, während das Verhältnis
der Abbeschen TV-Zahl des Werkstoffs des vorderen Elementes zur Abbeschen V-Zahl
des hinteren Elementes zwischen 0,4 und 0,7 beträgt.
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Eine zweckmäßige Ausführungsform des erfindungsgemäßen Projektionsobjektivs
ist in der Zeichnung veranschaulicht; die Zahlenwerte sind für jedes Beispiel in
der nachfolgenden Tabelle aufgeführt, in der R1, R2 . . . für die Krümmungsradien
der einzelnen Flächen (d und Pluszeichen bezeichnen eine zur Vorderseite konvexe
Fläche und a und Minuszeichen eine zur Vorderseite konkave Fläche entsprechend den
allgemeinen Definitionen),
Dl, D2.
.. für die axiale Dicke der Elemente
und S1, S2 . . . für den axialen Luftzwischenraum zwischen den Komponenten stehen.
Die Tabelle zeigt ferner mit mittleren Brechungsindizes nd für die d-Linie der für
die Elemente verwendeten Werkstoffe; die Abbeschen V-Zahlen dieser Werkstoffe sind
ebenfalls angegeben.
| .Äquivalente Brennweite F = 1,000; |
| Relative Apertur F/1,5 |
| Radius - . Dicke oder Luft- Brechungs- Abbesche |
| Zwischenraum index nd V-Zahl |
| R1 -I- 0,926 |
| D1 = 0,104 1,6056 60,02 |
| R2 -f- 8,638 |
| S1 = 0,543 |
| R3 - 0,576 |
| D2 = 0,0996 1,6054 38,03 |
| R4 -I- 0,377 |
| D3 = 0,328 1,6056 60,02 |
| R5 - 0,656 |
| S2 = 0,359 |
| R6 -i- 0,356 |
| D4 = 0,313 1,6098 53,31 |
| R,, -I- 8,299 |
| S3 = 0,0169 |
| R8 - 0,716 |
| D0 - = 0,0507 1,6535 33,48 |
| R9 -I- 0,692 |
Das Objektiv dieses Beispiels ist für alle primären Aberrationen und insbesondere
für Bildfeldwölbung und Astigmatismus über einen halben Öffnungswinkel von
8' gut korrigiert. Die Brennebene des Objektivs ist mit A bezeichnet, und
das Objektiv besitzt eine hintere Brennweite a, gemessen vom Scheitel der hinteren
Fläche R9 der hinteren Komponente, von 0,156 F.
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In dem hinteren Glied beträgt die Krümmung der Vorderfläche Rs der
sammelnden Komponente -1-2,809/F und die Krümmung der Vorderfläche R8 der zerstreuenden
Komponente -1,397/F, während die Krümmungen der Rückseiten R7 und R9 dieser Komponenten
+0,121/F bzw. -1-1,446/F betragen, so daß die algebraische Summe der ersten beiden
Krümmungen sich von der algebraischen Summe der zuletzt genannten beiden Krümmungen
um 0,155/F unterscheidet. Es läßt sich insbesondere erkennen, daß das hintere Glied
praktisch einen Beitrag von Null zu der Petzval-Summe des gesamten Objektivs liefert.
Der Krümmungsradius der vorderen Fläche Rs der sammelnden Komponente des hinteren
Gliedes multipliziert mit dem um Eins vermehrten Brechungsindex des Werkstoffs der
Komponente beträgt 0,929 F, während die hintere Brennweite des vorderen Gliedes,
gemessen vom Scheitel der hinteren Fläche R5 der Meniskuskomponente, 1,255 F beträgt;
durch Subtraktion des axialen Luftzwischenraums S2 von dieser hinteren Brennweite
ergibt sich der Abstand der Bildebene des vorderen Gliedes von. der vorderen Fläche
R6 des hinteren Gliedes mit 0,896 F. Die vordere Fläche R6 dieser sammelnden Komponente
ergibt somit eine nahezu aplanatische Brechung und trägt wesentlich zur Konvergenz
des ein Bild formenden Strahlenbündels bei, während die Komponente als Ganzes keine
erhebliche Bildfeldwölbung mit sich bringt. In der Zeichnung ist die Brennebene
des vorderen Gliedes mit B bezeichnet und liegt in einem Abstand b (0,355 F) hinter
der Brennebene A des gesamten Objektivs.
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Die Meniskuskomponente besitzt eine äquivalente Brennweite von 7,56
F, und da, wie bereits zuvor erwähnt, das hintere Glied praktisch einen Beitrag
von Null zu der Petzval-Summe des Objektivs leistet, gewährleistet die geringe äquivalente
Brechkraft der Meniskuskomponente, daß die gesamte Bildfeldwölbung des Objektivs
.die gleiche Größenordnung besitzt wie diejenige, die durch die vordere sammelnde
Komponente allein hervorgerufen wird. Wie ersichtlich, ist eine solche vordere sammelnde
Komponente eine einfache
Komponente (Einzellinse) und führt somit
eine Vergrößerung des Astigmatismus herbei, der dazu neigt, die tangentialen und
sagittalen Bildfelder zum Objektiv hin zu wölben. Die Meniskuskomponente gleicht
diesen Astigmatismus im wesentlichen durch ihre vordere Komponente mit Astigmatismus
mit entgegengesetztem Vorzeichen aus, wobei diese beiden astigmatischen Wirkungen
bei zunehmender Apertur in gleichem Maße arithmetisch zunehmen. Die äquivalente
Brennweite der hinteren Komponente des hinteren Gliedes beträgt -0,531 F; diese
Komponente ist eine einfache zerstreuende Komponente und verursacht ein erhebliches
Koma. Die komatische Linsenreflexion (flare) auf Grund dieser hinteren zerstreuenden
Komponente wird ebenfalls durch eine komatische Wirkung mit entgegengesetztem Vorzeichen
durch die Meniskuskomponente des vorderen Gliedes ausgeglichen, wobei sich beide
komatischen Wirkungen in gleichem Maße mit zunehmender Apertur ändern.
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Zur Verbesserung der Korrektion von chromatischen Aberrationen ist
die Meniskuskomponente als Doppellinse ausgeführt, bei der die Differenz zwischen
den Brechungsindizes der für die beiden Elemente verwendeten Werkstoffe 0,0002 beträgt
und das Verhältnis der Abbeschen V-Zahl des Werkstoffs des vorderen Elementes zu
der Abbeschen V-Zahl des Werkstoffs des hinteren Elementes 0,633 ist.
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Das beschriebene Objektiv eignet sichbesonders für Projektionszwecke,
bei denen das Licht durch das Objektiv von hinten nach vorn durchtritt. Das im Beispiel
beschriebene Objektiv besitzt eine gute Korrektion für Bildfeldwölbung, Astigmatismus
und Koma hinsichtlich einer wirksamen reellen oder virtuellen Begrenzung, die in
einer Stellung innerhalb eines Bereiches liegt, der sich von einem Abstand F vor
der Vorderfläche R3 der Meniskuskomponente bis zu einem Abstand 0,25 F hinter dieser
Fläche erstreckt. Es kommt daher nicht auf eine sehr genaue Anordnung der Beleuchtungsvorrichtung
hinter dem Objektiv an.
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Wie ersichtlich, kann die beschriebene Ausführungsform der Erfindung
im Rahmen des Erfindungsgedankens auf verschiedene Art und Weise abgewandelt werden.