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Gauß-Objek-tiv Die Erfindung betrifft ein modifiziertes Gauß-Objektiv,
das insbesondere für die Nacht-Luftphotographie bestimmt ist und das sich durch
ungewöhnlich gute Korrektion sowohl der Aberrationen niederer Ordnung und der schrägen
sphärischen Aberration wie auch der astigmatischen Fehler höherer Ordnung auszeichnet.
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Es ist bekannt, daß Gauß-Objektive sowohl bei Betrachtungssystemen
wie auch für photographische Zwecke ein großes, gut korrigiertes Bildfeld liefern
und daß man durch verschiedene Abwandlungen dieser Objektive die Korrekturen erhalten
kann, die bei dem jeweiligen Verwendungszweck des Objektivs gefordert werden. Jedoch
weisen die bekannten Gauß-Objektive gewisse Mängel auf, durch die ihre Lichtstärke
und der Bildwinkel begrenzt werden. Ein solcher Mangel ist die sphärische Aberration
bei beträchtlich achsenfernen Winkeln, die als schräge sphärische Aberration bezeichnet
wird und lediglich das Wiederauftreten der korrigierbaren achsennahen sphärischen
Aberration ist. Die schräge sphärische Aberration ändert sich im allgemeinen mit
dem Ab-
stand des Bildpunktes von der Achse und mit dem Quadrat der relativen
Blendenöffnung, so daß man bei einem Gauß-Objektiv mit großem Bildwinkel und großer
Lichtstärke erhebliche Schwierigkeiten zu
erwarten hat, die sich aus der schrägen
sphärischen Aberration ergeben, wobei diese Schwierigkeiten noch größer werden,
wenn die erforderlichen Brennweiten wesentlich größer sind als die, die für gewöhnliche
photographische Zwecke benutzt werden.
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Ein weiterer Nachteil der Gauß-Objektive ist der, daß sich der Astigmatismus
höherer Ordnung bei größer werdendem Bildwinkel rasch verschlechtert. Dabei ist
diese Tendenz so stark ausgeprägt, daß man für die Zwecke, für die die neuen Objektive
bestimmt sind, ungewöhnliche Mittel zur Korrektur der Ab-
erration zur Anwendung
bringen muß.
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In der USA.-Patentschrift 2 532 751 wurde bereits dargelegt,
wie eine Vergrößerung des Mittelluftraumes eines Gauß-Objektivs dazu verwendet werden
kann, die schräge sphärische Aberration zu vermindern, indem man den größten Teil
dieser Ab-
erration, die sich mit dem Quadrat der Blendenöffnung ändert, ausschaltet
und auf einen Beitrag zu den Restfehlern, die sich mit der fünften und höheren Potenzen
der Blendenöffnung ändern, beschränkt. Auch die USA.-Patentschrift 2 671380
zeigt
bereits, wie Ausgleichsmittel in den Mittelluftraum eines solchen Objektivs eingeführt
werden können, um dadurch Vorteile einschließlich der Berichtigung schräger sphärischer
Aberration zu verwirklichen. Somit kann durch Anwendung der in diesen Patentschriften
dargelegten Mittel die schräge sphärische Aberration in ihrer Größe vermindert werden,
und ihr Einfluß auf beliebige vorgegebene Zonen und Bildwinkel kann etwa auf den
Wert Null gebracht werden.
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Bei der Entwicklung eines als Nachtobjektiv ausgebildeten Gauß-Objektivs
mit einer Brennweite von 30,48 cm (12 Zoll), einer Lichtstärke von 1: 2,5
und einem BildWinkel von 551 wurde festgestellt, daß ein solches gemäß der
Erkenntnisse dieser Patente ausgebildetes Objektiv eine geringere optimale Güte
aufweist. Tatsächlich zeigt sich, daß die Verwendung verhältnismäßig stark gekrümmter,
um die Mittelblende herum angeordneter Linsenflächen, was bei solchen Objektiven
mit großem Mittelluftraum erforderlich ist, zu einer Vergrößerung der schrägen sphärischen
Aberration in der sagittalen Richtung führt. Die normale schräge sphärische Aberration
eines solchen Objektivs, bei dem die Flächen der um die Mittelblende angeordneten
Linsen schwächere Krümmungen aufweisen, bewirkt bei der Abbildung einer punktförmigen
Lichtquelle bei nur mäßiger Ausdehnung in der sagittalen Richtung eine beträchtliche
Ausdehnung in der meridionalen Richtung, während solche Objektive mit großem Mittelluftraum
und stärker gekrümmten, die. Blende umgebenden Linsenflächen. in meridionaler Richtung
schwächere und in sagittaler Richtung stärkere
schräge Aberration
aufkeisen. Bei den letztgenannten Objektiven ist die Aberrationsänderung über das
gesamte Feld verhältnismäßig gering, so daß- diese Objektive hervorragende achsenferne
Abbildungen liefern. Wenn jedoch eine weitere Verbesserung der Güte der achsenfemen
Abbildung erreicht werden soll, dann muß die schräge sphärische Aberration in der
sagittalen Richtung noch weiter vermindert werden, wobei die Korrektur dieser Aberration
in meridionaler Richtung aufrechterhalten wird.
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Die Erfindung besteht aus einem Gauß-Objektiv mit den folgenden Daten:
| F 1,000, f12,5 |
| Linse Radien Dicke der Linsen nD VD |
| R, = 0,635 ti = 0,075 1,75510
47,2 |
| R2 = -1,667 t" # 0,007 1,68900 30,9 |
| Rs = 1,061 SI = 0,002 |
| R4 = 0,312 t3 = 0,050 1,75510 47,2 |
| R5 = 0,681 s2 = 0,020 |
| IV R6 = 0,817 t4 # 0,013
1360500 37,9 |
| R7 = 0,243 S3 = 0,200 |
| V R8 = -##O,399 t5 = 0,013 1362031
60,3 |
| R9 = -1,609 S4 = 0,020 |
| VI Rio = -0,909 t,3 = 0,054
1,80370 41,8 |
| vn Ril = -0,500 S,5 = 0,002 |
| R12 = 5,001 t7 = 0,007 1,72000 29,3 |
| Viii Ris = '0,435 t8 = 0,075 1374450
45,8 |
| R14 = -0,944 S6 = 0,640 |
| Die Blende liegt 0,1147 vom Krümmungsscheitel der durch den
RadiusR7 bestimmten Fläche |
| in Richtung des Krümmungsscheitels -der durch den Radius
Rs bestimmten Fläche entfernt. |
Dabei ist zweckmäßig eine Feldebenungslinse vorgesehen mit folgenden Daten:
| Linse Radien Dicke der Linsen nD VD |
| IX R15 tg = 0,020 1,51700 64,5 |
| R,6 plano Sq = 0,050 (hintere Schnittweite) |
| Diese Fläche ist asphärisch und hat eine solche Gestalt, daß
die Dicke dieser Linse bei 0,32 Bogen- |
| graden, gerechnet von der Achse an, den Größtwert erreicht,
bei 0,42 Bogengraden ist die Dicke |
| etwa der Dicke an der optischen Achse gleich. Die größte Dickenänderung
beträgt etwa 0,011 der |
| Brennweite. |
Die Form des neuen, in der Abbildung dargestellten Gauß-Objektivs hat sich als die
günstigste für ein Nachtaufnahmeobjektiv mit einer Lichtstärke von
1: 2,5,
einer Brennweite von 30,48 cm und einem Bildwinkel von
55' erwiesen. Das
Objektiv besitzt in aus der USA.-Patentschrift 2
600 207 bekannter Weise
äußere Sammelglieder, die die Form gekitteter Dubletten haben, wobei das eine dieser
im vorderen Teil des optischen Systems angeordneten Glieder, also das Vorderglied,
aus einer äußeren Sammellinse I und einer inneren Zerstreuungslinse Il besteht,
während die das Hinterglied des optischen Systems bildende Doppellinse von einer
inneren Zerstreuungslinse VII und einer äußeren Sammellinse VIII gebildet wird.
Diese Sammelglieder umschließen negative konvex-konkave Glieder, deren konkave Flächen
beiderseits der in der Mitte des Systems hegenden Blende einander zugewandt sind,
wobei jedes dieser konvex-konkaven Glieder anstatt aus miteinander verkitteten Dubletten,
wie sie üblicherweise bei bekannten Gauß-Objektiven Verwendung finden, aus einem
Paar voneinander getrennter konvex-konkaver Linsen besteht. Das vordere konvexkonkave
Glied besteht aus einer äußeren positiven Linse
111 und einer inneren Zerstreuungslinse
IV, während das hintere konvex-konkave Glied aus einer inneren Zerstreuungslinse
V und einer äußeren Sammellinse VI besteht. Die Korrektur der schrägen sphärischen
Aberration wird dadurch erreicht, daß man für die äußeren Glieder des Objektivs
gekittete Doppellinsen verwendet, obwohl auch Einzellinsen mit asphärischen Flächen
für diesen Zweck hätten benutzt werden können. Die positiven Linsen
1, Ill,
VI und VIII des Objektivs sind aus hochbrechendem Glas seltener Erden hergestellt.
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Bei Gauß-Objektiven sind die meridionalen Strahlenbündel in der Regel
größeren Aberrationen unterworfen als sagittale Strahlenbündel, da die Brechungswinkel
in der Meridionalebene praktisch an jeder Fläche ihren maximalen Wert erreichen.
Außerdem,
je mehr ein gegebener Krümmungsradius nicht konzentrisch zu dem Bild der
Blende in seinem eigenen Medium liegt, um so größer ist der Unterschied zwischen
der meridionalen und der sagittalen Brechung, wobei dieser Unterschied von der Größe
der Einfalls- und Brechungswinkel der Hauptstrahlen der Strahlenbündel abhängt.
Andererseits sprechen die Korrekturen meridionaler Strahlen mehr als die Korrektur
der sagittalen Strahlen auf Kompensationsbrechungen an. Demgemäß ist es möglich,
durch Anwendung einer Anzahl von Linsenelementen mit verhältnismäßig flachen Krümmungen
die erforderlichen Korrekturen der schrägen sphärischen Aberration der meridionalen
Strahlen zu bewirken, wobei ein Brechungsausgleich durch geeignete Bemessung der
Krümmungen, der Abstände und der Brechzahldifferenzen erreicht werden kann. Durch
die Verwendung solcher flachen Krümmungen erhält man dann die geringste schräge
sphärische Aberration in sagittaler Richtung. Weitere Korrekturen, deren Wert beträchtlich
ist, kann man durch die Verwendung von asphärischen Flächen erzielen, wobei allerdings
bei in größeren Mengen herauszustellenden Linsen derartig große, Abweichungen von
den sphärischen Flächen praktisch nicht durchführbar sind.
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Die bei dem erfindungsgemäßen Objektiv verwendeten Linsen weisen verhältnismäßig
flache Krümmungen auf. Da Gläser mit hoher Brechzahl gewöhnlich auch eine größere
Lichtabsorption besitzen als Gläser mit niedriger Brechzahl, ist es mit Rücksicht
auf eine möglichst geringe Lichtabsorption erforderlich, die Abmessungen des optischen
Systems möglichst klein zu halten. Das optische System nach der Erfindung ist demzufolge
verhältnismäßig kompakt gestaltet, um die Gesamtlänge des durch das Glas verlaufenden
Strahlenganges so gering wie möglich zu halten, wobei ein Kompromiß mit dem Korrekturstand
eingegangen werden muß. Ein weiterer Vorteil eines kompakten optischen Systems ist
der, daß bei diesem im allgemeinen bei großen achsenfernen Winkeln ein geringeres
Vignettieren auftritt, da die verschiedenen Lichtbündel gewöhnlich innerhalb kleiner
kaumwinkel zur Lichteintrittspupille liegen. überdies ist auch ein Objektiv kompakter
Bauart im allgemeinen Gebrauch zu bevorzugen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Objektiv, wie es in der Abbildung dargestellt
ist, bei dem die äußeren Sammelglieder aus gekitteten Sammelgliedern bestehen, kann
zwischen der Brechkraft der ersten und letzten gekitteten Fläche ein erheblicher
Unterschied bestehen. Bei dem ersten Glied des optischen Svstems, das aus den Linsen
1 und II gebildet wird, weist die Linse 1 die höhere Brechzahl auf,
und die Brechzahlendifferenz an der gekitteten FlächeR.beträgt 0,0661. Eine
zu geringe Brechzahldifferenz kann zu einer starken Krümmung der Fläche und demzufolge
zu einer zu großen Dicke des Gliedes oder zu einer Überkorrektur durch die Fläche
führen, während eine zu große Brechzahldifferenz sowohl Verzerrung als auch das
Auftreten astigmatischer Bildfehler verursacht. Was das im hinteren Teil des optischen
Systems angeordnete äußere Sammelglied anbetrifft, so machen die konvergierenden
Lichtstrahlenbündel, um die gewünschte Korrekturwirkung zu erzielen, eine stärkere
gekrümmte Fläche erforderlich, und wegen der größeren Neigung der -stärker gekrümmten
Fläche ist eine geringere Brechzahldifferenz erwünscht. Bei dem hinteren Sammelglie.d
soll die Linse VII die kleinere Brechzahl aufweisen, wobei die Brechzahldifferenz
an der durch den Radius R13 bestimmten Fläche 0,0245 beträgt.
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Dadurch, daß bei dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Objektiv starke
Dubletten als äußere Sammelglieder zur Anwendung kommen, ist eine bequeme Farbkorrektur
möglich, wodurch bei der Wahl des Glases für die negativen, an der Mittelblende
angrenzenden konvex-konkaven Linsen weniger Beschränkungen bestehen. Demgemäß können
diese negativen konvex-konkaven Linsen eine kleinere Brechzahl als die aufweisen,
die bei bekannten Gauß-Objektiven üblich ist, woraus sich ein Vorteil in bezug auf
die Petzvalsche Summe ergibt. Verwendet man für die negativen konvex-konkaven
Linsen Gläser mit kleineren Brechzahlen, dann würde dies normalerweise stärkere
Krümmungen der an die Mittelblende angrenzenden Luftflächen erforderlich machen,
und dies wiederum würde sich schädlich auf die schräge sphärische Aberration und
auf die achsennahe sphärische Zone auswirken. Bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten
Objektiv berühren sich jedoch die Linsen der konvex-konkaven Glieder des Systems
nicht, und dadurch ist es möglieh, mäßige Krümmungen bei den an die Mittelblende
angrenzenden Flächen dieser Linsen beizubehalten.
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Ein weiteres Merkmal des erfindungsgemäßen Objektivs ist, daß die
Brechzahlen der positiven Linsen der negativen konvex-konkaven Glieder groß sein
können, ohne daß dadurch ein zu großer Astigmatismus hervorgerufen wird, da diese
Linsen ja konvex-konkave Form aufweisen.
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Ein weiteres Merkmal des erfindungsgemäßen Objektivs, das in bestimmten
Grenzen gehalten werden muß, ist die Länge des in der Mitte des Systems befindlichen
Luftraumes, in dem sich die Blende befindet. Zwecks günstiger Korrektur der schrägen
sDhärischen Aberration in der sagittalen Richtung ist der Luftraum so gewählt, daß
er 0,2 F beträgt, wobei F die Brennweite des optischen Systems ist. Verwendet man
einen Luftraum zu kurzer Länge, dann neigt die meridionale schräge sphärische Aberration
dazu, unkontrollierbar zu werden, während, wenn der Luftraum zu groß gewählt wird,
ein beträchtlicher Verlust der Gesamtbrechkraft eintritt, der wieder ein allgemeines
Steilerwerden der Krümmung mit sich daraus ergebender Aberration bedingt.
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Nachdem die verschiedenen oben beschriebenen Verbesserungen mit geeigneten
Maßnahmen zur Korrektur der normalen Aberrationen kombiniert worden sind, verbleibt
noch ein Zonenfehler in der Bildfeldwölbung, der mit den in dem soweit definierten
Objektiv vorhandenen Mitteln nicht vermindert werden kann. Bei nicht vorhandenem
Astigmatismus hat die Abweichung von einer planen Brennpunktebene im gesamten Bildfeld
eine Größe von etwa 0,0036
del Brennweite und erreicht ihren Maximalwert bei
etwa 0 -,70 des Abstandes von der Achse zur Kante des bezeichneten Feldes.
Wenn erforderlich, kann die oben bezeichnete Flächenabweichung durch die Verwendung
derFeldebenungslinse ausgeschaltetwerden.
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Es ist bekannt, daß man eine zusätzliche Feldebenungslinse in der
Nähe der Brennebene eines Objektivs anordnen kann, um so zur Beseitigung der Flächenabweichung
beizutragen, ohne daß dabei die optischen Korrekturen nennenswert beeinträchtigt
werden,
insbesondere wenn die letzteren mit der angebrachten Feldebenungslinse abgestimmt
werden. Eine solche Feldebenungslinse kann auch benutzt werden, um die Petzvalsche
Summe zu reduzieren, wobei es dann erforderlich ist, daß der Linse eine schwach
negative Brechkraft erteilt wird. Eine asphärische Verformung kann der Feldebenungslinse
zusätzlich erteilt werden, um so die Aufgabe der Feldebenung zu vervollständigen.
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Die Feldebenungslinse kann eine sehr schwach sphärische oder asphärische
Linse sein, die ün Rahinen des optischen Hauptsystems für die Endkorrektur der mit
Ausnahme einer Restfeldkrümmung einwandfreien Leistung des Objektivs verwendet wird;
auch kann die Feldebenungslinse eine negative Brechkraft besitzen, um zur Korrektur
der maßgebenden Petzvalschen Feldkrümmung beizutragen. Weist eine Feldebenungslinse
an irgendeinem Punkt eine Dickenvariation auf, die größer ist als z. B. 0,04
F,
dann verliert sie ihre Eigenschaft als Feldebenungslinse und wird ein starkes
optisches Element des Ob-
jektivs. Wenn die Feldebenungslinse nahe an der
Brennebene angeordnet und aus einem Glas mittlerer Brechzahl hergestellt ist, dann
liegt irn allgemeinen die maximale Veränderlichkeit der durch eine Dikkenänderung
der Feldebenungslinse hervorgerufenen Brennpunktverschiebung bei 0,015
F. Bei einer Brennweite von 100 mm hat eine Feldäbenungslinse,
deren Dickenänderung maximal 0,04 F beträgt, eine Korrekturleistung von
1,5 mm, die im normalen Bereich der Restfeldkrümmungen optischer Systeme
liegt, die für den allgemeinen Gebrauch bestimmt sind. Um nun sicherzustellen, daß
sich die Wirkung der bei deraerfindungsgemäß ausgebildeten Objektiv verwendeten
Feldebenungslinse, auf die Feldebenung beschränkt, muß die Dickenvariation dieser
Linse in einem Bereich von etwa 0 bis 0,04 F hegen. Flierbei wurde
die untere Grenze von etwa 0 F gewählt, weil die asphärische Korrektur der
Feldebenungslinse bisweilen eine axiale Tiefe haben kann, die nur wenigen Wellenlängen
des Natriumlichts entspricht, und die Dicke der Feldebenungslinse benutzt werden
kann, um eine kleine Endkorrektur der Verzerrung und astigmatischer Fehler im äußeren
Feld zu bewirken.
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Obwohl, wie oben ausgeführt, die obere Grenze der Dickenvariation
der Feldebenungslinse bei 0,04 F
liegt, kann nicht diese gesamte Variation
in dem aspärischen Teil der Linse ausgenutzt werden. Die asphärische Korrektur der
Feldebenungslinse wird angewendet, um Feldkrümmungen höherer Ordnung zu beseitigen,
wodurch jede normale Brechkraft der Feldebenungslinse sofort zur Verminderung der
Petzvalschen Summe bei zusätzlicher Wirkung auf die Zonenfehler höherer Ordnung
benutzt werden kann. Demzufolge kann für die asphärische Variation der Feldebenungslinse
eine obere Grenze von 0,02 F
festgelegt werden, wobei sich diese Grenze auf
den maximalen axialen Abstand zwischen der asphärischen Fläche und einer sphärischen
Fläche bezieht, deren Mittelpunkt auf der optischen Achse liegt und durch den Krümmungsscheitel
und die äußere Erstreckung der asphärischen Fläche verläuft.