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Die
Erfindung betrifft ein Variolinsensystem mit vier Linsengruppen,
das in einem Objektiv einer Einzelbildkamera, Videokamera oder dergleichen
verwendet werden kann.
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In
der Japanischen Patentveröffentlichung
JP 4-149402 ist ein Drei-Linsengruppen-Variolinsensystem beschrieben,
das im Grunde ein Vier-Linsengruppen-System darstellt. Ein solches
Variolinsensystem genügt jedoch
mit einem halben Feldwinkel von etwa 37° bei Einstellung kürzester
Brennweite nicht den Anforderungen, die an ein Variolinsensystem
gestellt werden, das einen größeren halben
Feldwinkel als das in der eben genannten Veröffentlichung beschriebene hat.
Weiterhin werden für
die Fokussierlinsengruppe bildseitig schwere Linsenelemente verwendet,
die die Last auf den Fokussierlinsenmechanismus erhöhen und
so für eine
automatische Scharfeinstellung von Nachteil sind. Auch die Japanische
Patentveröffentlichung
JP 6-75167 beschreibt ein Vier-Linsengruppen-Variolinsensystem,
das jedoch unter dem Gesichtspunkt eines größeren halben Feldwinkels unzureichend
ist.
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Aus
US 4 890 904 ist ein Variolinsensystem
bekannt, das eine positive erste Linsengruppe, eine negative zweite
Linsengruppe, eine positive dritte Linsengruppe und eine positive
vierte Linsengruppe enthält, die
in der genannten Reihenfolge von der Objektseite aus betrachtet
angeordnet sind. Alle Linsengruppen sind zur Brennweitenänderung
aus der Einstellung kürzester
Brennweite zur Einstellung längster
Brennweite zur Objektseite hin bewegbar. Die positive dritte Linsengruppe
enthält
zwei positive Linsenelemente und ein negatives Linsenelement in
dieser Reihenfolge von der Objektseite aus betrachtet. Die Objektseite
Fläche
des negativen Linsenelementes ist konkav ausgebildet. Die positive
vierte Linsengruppe enthält
eine positive erste Untergruppe, eine negative zweite Untergruppe
und eine positive dritte Untergruppe, die in dieser Reihenfolge von
der Objektseite aus betrachtet angeordnet sind.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Variolinsensystem mit einem Brennweitenverhältnis von
etwa 3,5 und einem halben Feldwinkel anzugeben, der in der Weitwinkeleinstellung
etwa 42° beträgt.
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Die
Erfindung löst
diese Aufgabe durch das Variolinsensystem mit den Merkmalen des
Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand
der Unteransprüche
sowie der folgenden Beschreibung.
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Die
Erfindung wird im folgenden an Hand der Figuren näher erläutert. Darin
zeigen:
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1 die
Linsenanordnung des ersten Ausführungsbeispiels
des erfindungsgemäßen Variolinsensystems,
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2A, 2B, 2C, 2D und 2E die
Diagramme der Aberrationen des Variolinsensystems nach 1 bei
der Einstellung kürzester
Brennweite,
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3A, 3B, 3C, 3D und 3E die
Diagramme der Aberrationen des Variolinsensystems nach 1 bei
Einstellung mittlerer Brennweite,
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4A, 4B, 4C, 4D und 4E die
Diagramme der Aberrationen des Variolinsensystems nach 1 bei
Einstellung längster
Brennweite,
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5 die
Linsenanordnung des zweiten Ausführungsbeispiels,
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6A, 6B, 6C, 6D und 6E die
Diagramme der Aberrationen des Variolinsensystems nach 5 bei
Einstellung kürzester
Brennweite,
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7A, 7B, 7C, 7D und 7E die
Diagramme der Aberrationen des Variolinsensystems nach 5 bei
Einstellung mittlerer Brennweite,
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8A, 8B, 8C, 8D und 8E die
Diagramme der Aberrationen des Variolinsensystems nach 5 bei
Einstellung längster
Brennweite,
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9 die
Linsenanordnung des dritten Ausführungsbeispiels,
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10A, 10B, 10C, 10D und 10E die Diagramme der Aberrationen des Variolinsensystems
nach 9 bei Einstellung kürzester Brennweite,
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11A, 11B, 11C, 11D und 11E die Diagramme der Aberrationen des Variolinsensystems
nach 9 bei Einstellung mittlerer Brennweite,
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12A, 12B, 12C, 12D und 12E die Diagramme der Aberrationen des Variolinsensystems
nach 9 bei Einstellung längster Brennweite,
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13 die
Linsenanordnung des vierten Ausführungsbeispiels,
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14A, 14B, 14C, 14D und 14E die Diagramme der Aberrationen des Variolinsensystems
nach 13 bei Einstellung kürzester Brennweite,
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15A, 15B, 15C, 15D und 15E die Diagramme der Aberrationen des Variolinsensystems
nach 13 bei Einstellung mittlerer Brennweite,
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16A, 16B, 16C, 16D und 16E die Diagramme der Aberrationen des Variolinsensystems
nach 13 bei Einstellung längster Brennweite,
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17 die
Linsenanordnung des fünften
Ausführungsbeispiels,
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18A, 18B, 18C, 18D und 18E die Diagramme der Aberrationen des Variolinsensystems
nach 17 bei Einstellung kürzester Brennweite,
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19A, 19B, 19C, 19D und 19E die Diagramme der Aberrationen des Variolinsensystems
nach 17 bei Einstellung mittlerer Brennweite,
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20A, 20B, 20C, 20D und 20E die Diagramme der Aberrationen des Variolinsensystems
nach 17 bei Einstellung längster Brennweite und
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21 die
Bewegung der Linsengruppe des Variolinsensystems bei der Brennweitenänderung.
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Wie
in den 1, 5, 9, 13 und 17 gezeigt,
enthält
das Vier-Linsengruppen-Linsensystem eine positive erste Linsengruppe 10,
eine negative zweite Linsengruppe 20, eine Blende S, eine
positive dritte Linsengruppe 30 und eine positive vierte
Linsengruppe 40. Die genannten Komponenten sind in dieser
Reihenfolge von der Objektseite aus betrachtet angeordnet. Bei der
Brennweitenänderung
bewegen sich alle Linsengruppen unter Variation ihres gegenseitigen
Abstandes zum Objekt hin. Die Blende S bewegt sich einstückig mit
der positiven Linsengruppe 30. Die Scharfeinstellung erfolgt
durch Bewegen der negativen zweiten Linsengruppe 20 zum
Objekt hin, wenn die Objektentfernung aus der Unendlicheinstellung
zu einer endlichen Entfernung hin variiert.
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Bei
jedem der in den 1, 5, 9, 13 und 17 dargestellten
Ausführungsbeispiele
enthält
die positive erste Linsengruppe 10 eine verkittete Unterlinsengruppe
mit einem negativen Linsenelement L1 und einem positiven Linsenelement
L2 sowie ein positives Meniskuslinsenelement L3 mit einer objektseitigen
konvexen Fläche.
Die eben genannten Komponenten sind in dieser Reihenfolge von der
Objektseite aus betrachtet angeordnet. Die negative zweite Linsengruppe 20 enthält ein negatives
Meniskuslinsenelement L4 mit einer objektseitigen konvexen Fläche, eine
verkittete Unterlinsengruppe mit einem positiven Linsenelement L5
und einem negativen Linsenelement L6, ein positives Linsenelement
L7 sowie ein negatives Linsenelement L8 mit einer objektseitigen
konkaven Fläche
starker Brechkraft. Die eben genannten Komponenten sind in dieser
Reihenfolge von der Objektseite aus betrachtet angeordnet. Die positive
dritte Linsengruppe 30 enthält ein bikonvexes positives
Linsenelement L9, ein positives Linsenelement L10 mit einer objektseitigen
konvexen Fläche
starker Brechkraft sowie in negatives Linsenelement L11. Diese Komponenten
sind in der genannten Reihenfolge von der Objektseite aus betrachtet
angeordnet. Die positive vierte Linsengruppe 40 enthält ein positives
Linsenelement L12 und ein negatives Linsenelement L13 mit einer
bildseitigen konkaven Fläche
starker Brechkraft. Das gesamte Linsensystem enthält dreizehn
Linsenelemente. Das vorstehend genannte negative Meniskuslinsenelement
L4, das objektseitig eine konvexe Fläche hat und in der zweiten
Linsengruppe dem Objekt am nächsten
angeordnet ist, ist ein Hybridlinsenelement mit einer asphärischen
Oberflächenschicht
R, die aus einem Verbundharzmaterial besteht und auf das Hybridlinsenelement
aufgebracht ist.
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Die
Bedingung (1) des Anspruchs 1 gibt den Abbildungsmaßstab m3-4W für
die dritte Linsengruppe 30 und die vierte Linsengruppe 40 im
Weitwinkelextremum an. Der Index W steht für Weitwinkelextremum. Die dritte
Linsengruppe 30 und die vierte Linsengruppe 40 werden
dabei als eine Linsengruppe betrachtet, die hinter der Linsengruppe 30 angeordnet
ist und diese enthält.
Der Abbildungsmaßstab
m3-4 (<0)
einer Linsengruppe hinter der dritten Linsengruppe 30 ist
im Weitwinkelextremum hinsichtlich seines Absolutwertes am kleinsten
und nimmt zum Teleextremum hin zu. Hat der Abbildungsmaßstab m3-4W einen derart kleinen Absolutwert, daß m3-4W die obere Grenze der Bedingung (1) übersteigt,
so wird der Abbildungsmaßstab
m3-4 nahe dem Weitwinkelextremum hinsichtlich
seines Absolutwertes kleiner als –1, und bei Brennweitenänderung
zum Teleextremum hin übersteigt
der Abbildungsmaßstab
m3-4 den Wert –1 und wird hinsichtlich seines
Absolutwertes größer als –1. Andererseits
sind die bei der Brennweitenänderung
auftretenden Bewegungsstrecken der dritten Linsengruppe 30 und
der vierten Linsengruppe 40 so festgelegt, daß die Bildfeldwölbung der
Meridionalbildebene in einer Weise korrigiert ist, daß sie sich
nicht in positiver Richtung entfaltet, und die Linsengruppen zur Brennweitenänderung
gleichmäßig bewegt
werden können.
In einem Brennweitenbereich, in dem der Abbildungsmaßstab m3-4 kleiner als –1 ist (Absolutwert), bereitet
es jedoch Schwierigkeiten, die Bildfeldwölbung zufriedenstellend zu
korrigieren, da die Lageänderung
der Bildebene gegenüber
der Bewegungsstrecke der dritten Linsengruppe 30 (und einer
Linsengruppe hinter der dritten Linsengruppe 30) längs der
optischen Achse klein ist.
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Im
folgenden wird ein weiterer Nachteil diskutiert, der dann auftritt,
wenn der Abbildungsmaßstab
die untere Grenze der Bedingung (1) unterschreitet. Bei Durchführen der
Brennweitenänderung
wird die zweite Linsengruppe 20 aus dem Weitwinkelextremum
von der Objektseite zur Bildseite hin bis zu einer Brennweitenposition
bewegt, bei der der Abbildungsmaßstab etwa –1 ist, und von dort wird die
zweite Linsengruppe 20 zum Teleextremum hin von der Bildseite
zur Objektseite bewegt. Die zweite Linsengruppe 20 durchläuft also
eine U-förmige
Umkehrbewegung. Für
den Fall, daß die
Brennweitenänderung
durch die zweite Linsengruppe 20 erfolgt, muß jedoch,
falls die Unendlicheinstellung als Referenzobjektentfernung herangezogen
wird, die zweite Linsengruppe 20 zum Objekt hin bewegt
werden, wenn auf ein Objekt in endlicher Entfernung scharfgestellt wird.
Ist nun die zweite Linsengruppe 20 auf eine U-förmige Umkehrbewegung
hin ausgelegt, so muß ein
Mechanismus zur Scharfeinstellung und ein Mechanismus zur Brennweiteneinstellung
vorgesehen werden, wodurch sich ein komplizierter Gesamtmechanismus
ergibt. Durch Erfüllen
der Bedingung (1) ist nun die zur Brennweitenänderung bestimmte Bewegungsstrecke
der zweiten Linsengruppe 20 so festgelegt, daß diese keine
U-förmige
Umkehrbewegung vollführt.
Infolgedessen können
die Brennweiten- und die Scharfeinstellung durch einen gemeinsamen
Mechanismus gesteuert werden, so daß der gesamte Mechanismus vereinfacht werden
kann.
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Wird
der resultierende Abbildungsmaßstab
um so viel kleiner, daß m3-4W die untere Grenze der Bedingung (1)
unterschreitet, so steigen in der dritten Linsengruppe 30 und
der vierten Linsengruppe 40 die Aberrationen an, welche
die Meridionalbildebene in positiver Richtung krümmen.
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Die
Bedingung (2) des Anspruchs 1 gibt den Abstand d19 zwischen
dem positiven Linsenelement L10 und dem negativen Linsenelement
L11 in der dritten Linsengruppe 30 an. Da die Linsengruppe 30 mit
einer Blende S nahe der Objektseite versehen ist, dient sie im wesentlichen
der Korrektion der sphärischen
Aberration.
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Wird
der Abstand d19 so verkürzt, daß d19/fw
die untere Grenze der Bedingung (2) unterschreitet, so wird die
sphärische
Aberration in positiver Richtung größer und nachfolgend die sphärische Aberration
in dem gesamten System überkorrigiert,
so daß im
gesamten System in positiver Richtung sphärische Aberration auftritt.
Der Grund hierfür
liegt im Anstieg der Eintrittshöhe
der auf das negative Linsenelement L11 treffenden Axialstrahlen,
die aus dem positiven Linsenelement L10 austreten und auf das negative
Linsenelement L11 gebündelt
werden. Wird weiterhin die untere Grenze der Bedingung (2)
gemäß der Bedingung
(2') des Anspruchs 3
auf einem Wert von etwa 0,04 gehalten, so kann das Auftreten von
sphärischer
Aberration in positiver Richtung auf der objektseitigen Fläche des
negativen Linsenelementes L11 noch weiter verringert werden, was
für die
Korrektion der Aberrationen von Vorteil ist.
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Wird
andererseits zur Verhinderung einer Überkorrektion der sphärischen
Aberration die bildseitige Fläche
des positiven Linsenelementes L10 mit einer so starken positiven
Brechkraft versehen, daß sphärische Aberration
in negativer Richtung auftritt, so heben sich die durch das positive
Linsenelement L10 verursachte sphärische Aberration in negativer
Richtung und die durch das negative Lin senelement L11 verursachte
sphärische
Aberration in positiver Richtung gegenseitig auf, so daß die Fehlerempfindlichkeit
so hoch wird, daß es Schwierigkeiten
bereitet, das gesamte Linsensystem unter Gewährleistung einer vorbestimmten
optischen Leistung zu fertigen. Selbst ein geringer Fehler im Abstand
d19 würde
also zu einer großen
Variation der sphärischen
Aberration führen.
Ebenso führt
schon ein geringer Dezentrierungsfehler zu einer starken Koma. Werden
zur Verhinderung eines solchen Problems das positive Linsenelement
L10 und das negative Linsenelement L11 miteinander verkittet, so
verursachen die für
eine solche Verkittung aufzuwendenden Kosten einen Anstieg der Gesamtkosten
des Variolinsensystems.
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Wird
der Abstand d19 so vergrößert, daß d19/fw
die obere Grenze der Bedingung (2) übersteigt, so führt dies
zum Auftreten von sphärischer
Aberration in negativer Richtung und zu einem insgesamt längeren Linsensystem.
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Die
Bedingung (3) des Anspruchs 1 gibt den Brechungsindex des negativen
Linsenelementes L13 an, das innerhalb der vierten Linsengruppe 40 dem
Bild am nächsten
angeordnet ist. Ist der Brechungsindex des negativen Linsenelementes
L13 so klein, daß nL13 die untere Grenze der Bedingung (3) unterschreitet,
so nimmt auch die negative Brechkraft des negativen Linsenelementes
L13 ab, und es tritt sphärische
Aberration in negativer Richtung auf, so daß die sphärische Aberration nicht korrigiert
werden kann. Weiterhin führt
der Anstieg der Petzval-Summe
zu einer Krümmung
der Bildebene in negativer Richtung.
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Wird
der Brechungsindex des negativen Linsenelementes L13 so stark vergrößert, daß nL13 die obere Grenze der Bedingung (3) übersteigt,
so nimmt die Petzval-Summe ab, wodurch eine Bildfeldwölbung in
positiver Richtung verursacht wird. Will man eine asphärische Fläche an dem
negativen Linsenelement L13 ausbilden, so zieht dies Nachteile bei
der Fertigung nach sich, da es Schwierigkeiten bereitet, ein Material
bereitzustellen, das leicht zu formen ist und einen Brechungsindex
hat, der die Bedingung (3) erfüllt.
Leicht zu formendes Kunststoffmaterial liefert keinen Brechungsindex,
der die Bedingung (3) erfüllt.
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Im
folgenden werden unter Bezugnahme auf die Tabellen und die Diagramme
numerische Daten der Ausführungsbeispiele
angegeben. In den Diagrammen der chromatischen Aberration, dargestellt
durch die sphärische
Aberrationen, geben die durchgezogene Linie sowie die beiden Arten
von gestrichelten Linien die sphärische
Aberration bei der d-, der g- bzw. der C-Linie an. Ebenso geben
in den Diagrammen der lateralen chromatischen Aberration die durchgezogene
Linie sowie die beiden Arten von gestrichelten Linien den Abbildungsmaßstab bei
der d-, der g- bzw. der C-Linie an. S bezeichnet die Sagittalbildebene
und M die Meridionalbildebene. FNO ist die
F-Zahl, f die Brennweite, W der halbe Feldwinkel und fB die
hintere Bildweite. R bezeichnet den Krümmungsradius der jeweiligen
Linsenfläche,
D die Linsendicke oder den Abstand, Nd den
Brechungsindex bei der d-Linie und νd die
Abbe-Zahl.
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Eine
zur optischen Achse symmetrische, asphärische Fläche ist wie folgt definiert: x = Ch2/{1 + [1 – (1 + K)C2h2]½}
+ A4h4 + A6h6 – A8h8 + A10h10 + A12h12...;worin
- x
- den Abstand von einer
Tangentialebene des asphärischen
Scheitels,
- C
- die Krümmung des
asphärischen
Scheitels (1/R),
- h
- den Abstand von der
optischen Achse,
- K
- den Kegelschnittkoeffizienten,
- A4
- einen Asphärizitätskoeffizienten
vierter Ordnung,
- A6
- einen Asphärizitätskoeffizienten
sechster Ordnung,
- A8
- einen Asphärizitätskoeffizienten
achter Ordnung,
- A10
- einen Asphärizitätskoeffizienten
zehnter Ordnung und
- A12
- einen Asphärizitätskoeffizienten
zwölfter
Ordnung bezeichnet.
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Erstes Ausführungsbeispiel
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1 zeigt
die Linsenanordnung des ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Variolinsensystems.
Die
2A bis
2E, die
3A bis
3E und
die
4A bis
4E sind
die Diagramme der Aberrationen des Variolinsensystems nach
1 bei
der Einstellung kürzester
Brennweite, mittlerer Brennweite bzw. längster Brennweite. Die numerischen
Daten sind in Tabelle 1 angeführt. Tabelle
1
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Asphärizitätsdaten
(nicht angeführte
Asphärizitätsdaten
sind Null (0,00)):
Nr.6: k = –1,0, A4 = 0,1804 × 10–4,
A6 = –0,3640 × 10–7,
A8 = 0,9700 × 10–10
Nr.24:
k = –1,0,
A4 = –0,4270 × 10–4,
A6 = –0,5980 × 10–7,
A8 = –0,4940 × 10–9
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Zweites Ausführungsbeispiel
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5 ist
die Linsenanordnung des zweiten Ausführungsbeispiels. Die
6A bis
6E,
die
7A bis
7E und
die
8A bis
8E sind
die Diagramme der Aberrationen des Variolinsensystems nach
5 bei
der Einstellung kürzester
Brennweite, mittlerer Brennweite bzw. längster Brennweite. Die numerischen
Daten sind in Tabelle 2 angeführt. Tabelle
2
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Asphärizitätsdaten
(nicht angeführte
Asphärizitätsdaten
sind Null (0,00)):
Nr.6: k = –1,0, A4 = 0,1860 × 10–4,
A6 = –0,3648 × 10–7,
A8 = 0,9952 × 10–10
Nr.24:
k = –1,0,
A4 = –0,4012 × 10–4,
A6 = –0,5640 × 10–7,
A8 = –0,3565 × 10–9
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Drittes Ausführungsbeispiel
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9 ist
die Linsenanordnung des dritten Ausführungsbeispiels. Die
10A bis
10E,
die
11A bis
11E und
die
12A bis
12E sind
die Diagramme der Aberrationen des Variolinsensystems nach
9 bei
der Einstellung kürzester
Brennweite, mittlerer Brennweite bzw. längster Brennweite. Die numerischen
Daten sind in Tabelle 3 angeführt. Tabelle
3
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Asphärizitätsdaten
(nicht angeführte
Asphärizitätsdaten
sind Null (0,00)):
Nr.6: k = –1,0, A4 = 0,1888 × 10–4,
A6 = –0,3622 × 10–7,
A8 = 0,9206 × 10–10
Nr.24:
k = –1,0,
A4 = –0,3883 × 10–4,
A6 = –0,5756 × 10–7,
A8 = –0,4019 × 10–9
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Viertes Ausführungsbeispiel
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13 ist
die Linsenanordnung des vierten Ausführungsbeispiels. Die
14A bis
14E,
die
15A bis
15E und
die
16A bis
16E sind
die Diagramme der Aberrationen des Variolinsensystems nach
13 bei
der Einstellung kürzester
Brennweite, mittlerer Brennweite bzw. längster Brennweite. Die numerischen
Daten sind in Tabelle 4 angeführt. Tabelle
4
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Asphärizitätsdaten
(nicht angeführte
Asphärizitätsdaten
sind Null (0,00)):
Nr. 6: k = –1,0, A4 = 0,1909 × 10–4,
A6 = –0,4356 × 10–7,
A8 = 0,1000 × 10–9
Nr.24:
k = –1,0,
A4 = –0,4099 × 10–4,
A6 = –0,5540 × 10–7,
A8 = –0,3626 × 10–9
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Fünftes Ausführungsbeispiel
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17 ist
die Linsenanordnung des fünften
Ausführungsbeispiels.
Die
18A bis
18E,
die
19A bis
19E und
die
20A bis
20E sind
die Diagramme der Aberrationen des Variolinsensystems nach
17 bei
der Einstellung kürzester
Brennweite, mittlerer Brennweite bzw. längster Brennweite. Die numerischen
Daten sind in Tabelle 5 angeführt. Tabelle
5
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Asphärizitätsdaten
(nicht angeführte
Asphärizitätsdaten
sind Null (0,00)):
Nr. 6: k = –1,0, A4 = 0,1971 × 10
–4,
A6 = –0,3839 × 10
–7,
A8 = 0,1078 × 10
–9 Nr.24:
k = –1,0,
A4 = –0,3960 × 10
–4,
A6 = –0,5592 × 10
–7,
A8 = –0,3344 × 10
–9 Tabelle
6 zeigt die numerischen Daten der Bedingungen (1) bis (3) für die einzelnen
Ausführungsbeispiele. Tabelle
6
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Wie
aus Tabelle 6 hervorgeht, erfüllen
alle Ausführungsbeispiele
die Bedingungen (1), (2) und (3). Die Aberrationen sind angemessen
korrigiert.
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Die
Erfindung stellt also ein Vier-Linsengruppen-Variolinsensystem zur
Verfügung,
das einen halben Feldwinkel von etwa 42° im Weitwinkelextremum sowie
ein Brennweitenverhältnis
von 3,5 hat.
