DE2348305A1 - Verzeichnungsfreies mikroreproduktionsobjektiv - Google Patents

Description

Verzeichnungsfreies Mikroreproduktionsobjektiv

Die Erfindung bezieht sich auf ein Objektiv für Mikroreproduktion hoher Auflösung mit einer bildseitigen numerischen Apertur von mindestens 0,5, welches aus einem bildseitigen Objektivteil und aus einem objektseitigen Objektivteil besteht, deren Abstand voneinander größer ist als die Brennweite des gesamten Objektivs. Der Aufbau des bildseitigen Objektivteils ist dem eines Mikroobjektivs ähnlich, und zwar besteht dieser in Lichtrichtung gesehen aus einem Achromaten, welcher mindestens eine zum Objekt konkave, streuende Kittfläche aufweist, zwei nachfolgenden sammelnden Gliedern und einem dicken Meniskus. Von den beiden sammelnden Gliedern enthält mindestens eines eine streuende Kittfläche, und bei dem zweiten der beiden ist - zur Erzielung einer bildseitig großen Apertur bei kleinen Fehleranteilen - die konvexe bzw. stärker konvexe Fläche bezüglich ihrer Durchbiegung nahezu aplanatisch bzw. im Bereich zwischen aplanatisch und konzentrisch und wendet sich dem Objekt zu. Die Dicke des genannten dicken Meniskus liegt zwischen 0,5 und 0,75 der Gesamtbreite des Objektivs, und die konvexe Fläche dieses Meniskus, die wesentlich weniger gekrümmt ist als die dem Bild zugewandte, konkave Fläche, liegt in ihrer Durchbiegung ebenfalls zwischen einer aplanatischen und einer konzentrischen Form.

Bekannte Objektive eines solchen Aufbaus zeigen verschiedene Nachteile, die sie für Mikroreproduktion höchster Genauigkeit nur bedingt geeignet erscheinen lassen, und zwar -sind dies die

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relativ große Verzeichnung, die sich als Verfälschung der Geometrie abzubildender Mikrostrukturen auswirkt, und der hohe Dreiblattfehler (entsprechend der Nijboerschen Bildfehlerklassifikation), welcher sich als Verringerung der Strehl¹sehen Definitionshelligkeit und damit als Auflösungsminderung im außeraxialen Bereich bemerkbar macht.

Dieser letztgenannte Fehler, welcher mit der dritten Potenz des Bildwinkels wächst, entspricht dem Pfeilfehler der Focke'sehen Darstellung und äußert sich anschaulich darin, daß bei korrigierten Rinnenfehler eine starke meridionale Koma bzw. bei korrigierter Meridionalkoma ein störender Rinnenfehler verbleibt.

Die genannten Fehler entstehen infolge der - zur Erzielung der gewünschten Apertur notwendigen - Häufung starker positiver Brechkraft im bildseitigen Objektivteil und sind mit dem beschriebenen Aufbau des bildseitigen Objektivteils nicht zu beseitigen. Speziel benutzen bekannte Objektive im objektseitigen Objektivteil Korrektxonselemente für Astigmatismus und Bildfeldwölbung in Form eines zum Objekt konkaven, streuenden Meniskus mit nachfolgender Sammellinse, welche die bereits vorhandenen Fehler, insbesondere den der Verzeichnung, noch weiter vergrößern.

Es sind zwar Objektive anderen Aufbaus für Mikroreproduktion bekanntgeworden, die die erwähnten Fehler nur in geringem Maße aufweisen, aber diese Objektive haben auch wesentlich geringere numerische Aperturen und außerdem den Nachteil, daß vor der

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Bildebene eine relativ dünne Bikonkavlinse angeordnet ist, welche wegen ihrer hohen Zentrierempf inctlichkeit eine Komplizierung einer rationellen Fertigung bedeutet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Mikr,-reproduktionsobjektiv mit einer numerischen Apertur von mindestens 0,5 und einem Bildfelddurchmesser von 0, 5 der Gesamtbrennweite zu schaffen, welches ähnlich dem beschriebenen Objektivaufbau eine fertigungstechnisch günstige Form besitzt, bei dem die außeraxiale Bildgüte gegenüber bekannten Objektivtypen verbessert und insbesondere der Verzeichnungsfehler so klein ist, daß er gegenüber dem theoretischen Auflösungsvermögen verschwindet.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Objektiv des obengenannten Prinzipaufbaus dadurch gelöst, daß zwecks Erzielung einer hochgradigen Verzeichnungsfreiheit bei verbesserter außeraxialer Abbildungsleistung der objektseitige Objektivteil anstelle aus einem zum Objekt konkaven Meniskus mit einer nachfolgenden Sammellinse nunmehr als tripletartiges System aus Positiv-, Negativ- und Positivlinse aufgebaut ist, dessen Brennweite größer als 6 f ist, wobei f die Brapnweite des Gesamtsystems darstellt, und iessen bildseitige Hauptebene in oder hinter der letzten Linse dieses tripletartigen Systems liegt, bei dem die dem Bild zugewandte Fläche der ersten Linse konvex ist und eine Brechkraft von mindestens 0,1/f besitzt, und die beiden nachfolgenden zwei Linsen ihre stärker gekrümmte Fläche dem Bild zuwenden.

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Wesentlich bei einem solchen Aufbau ist, daß die bisher durch.die erste, zum Objekt konkave Fläche erzeugten Fehler (Koma und Astigmatismus) nunmehr durch eine zum Bild konkave, streuende Fläche der zweiten Linse des tripletartigen, objektseitigen Systemteils erzeugt werden, welche sehr stark, und zwar mehr als aplanatisch bezüglich des Hauotstrahle durchgebogen sein muß.

Eine solche Fläche erzeugt einen wesentlich geringeren Verzeichnungsfehler, aber auch eine geringere astigmatische Überkorrektur. Es hat sich gezeigt, daß durch Verlagerung der im objektseitigen Systemteil fehlenden astigmatischen Überkorrektur in den bildseitigen Objektivteil und im Zusammenhang damit, daß im tripletartigen, objektseitigen Systemteil Koma durch eine zum Bild konkave, streuende Fläche erzeugt wird, sich zusätzlich der störende Pfeilfehler verringert.

Die RestVerzeichnung wird dadurch kompensiert, daß im objektseitigen Systemteil als erste Linse eine Sammellinse eingesetzt wird, deren konvexe zweite Fläche dem Bild bzw. dem HauptStrahlenzentrum zugewandt ist, und welche, um besonders große Hauptstrahlhöhen zu erhalten, andererseits aber um allzugroße Objektivbaulängen zu vermeiden, im Abstand zwischen 0,6 f und 1,8 f vor der Streulinse angeordnet ist, wobei der trennende Luftraum die Form einer dicken Zerstreuungslinse hat und somit sammelnd und insbesondere bezüglich der Hauptstrahlen verzeichnungskorrigierend wirkt. Entsprechend der oben angegebenen Grenzen für den ersten Luftraum liegt, um die gewünschte Wirkung zu

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erreichen, die Brennweite der ersten Linse des tripletartigen, objektseitigen Systemteils zwischen 4 f und 8 f.

Nun hat bei dem beschriebenen Aufbau die zum Bild konkave, streuende Fläche der zweiten Linse den Nachteil, wegen ihres höheren sphärischen Fehleranteils auch sogenannten Öffnungsfehler schiefer Büno'el zu erzeugen. Um diesen gering zu halten, sollte die Brechkraft dieser Linse nicht zu stark 8ein und die Brennweite daner zwischen -1,7 f und -3 f liegen. Die verlangte Wirkung des zum Bild konkaven, streuenden Radius der zweiten Linse bleibt am günstigsten, wenn dieser 0,6 bis 0,9 mal kleiner als der anschließende Luftraum ist. Aus konstruktiven Überlegungen und um eine Korrektion des FarbvergröSerungsfehiers mit drei Einzellinsen des tripletartigen Systemteils zu gewährleisten, sollte dieser Luftraum nicht größer als 2 f sein. .

Andererseits ist eine Mindestgröße von 1, *s f erforderlich, um zusammen mit der vorher genannten Beaingung eine zu starke Krümmung des bildseitigen Radius der zweiten Linse zu vermeiden und um die bilaseitige Hauptebene des tripletartigen Systemteil« mög-i-ichst weit in Richtung zum Bild hin zu verlagern.

Bekanntlich ist die Gesamtbrennweite f eines aus den Brennweiten f₁ und fp zusammengesetzten Systems gegeben durch 1 1.1 d
ar = ψ— + at

Hierin bedeuten f₁ und f₂ die Brennweiten des objekt- und "ei Id se it igen Objektivteils und d den Abstand der zugeordneten Hauptebene. Eb ist leicht einzusehen, daß d klein und wenn möglich negativ sein muß, um eine vorgegebene Gesamt-

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brennweite f "bei mögJiehst großer Brennweite des oildseitigen Objektivteils zu erreichen, was zu einer Entspannung jnd bei konstanter BildhÖhfe zur VerkJ emerung ies Bildwinkeis und damit des Pfeilfeülers für diesen Objektivteii führt.

Die lexzte Linse des 'tripletartigen Systemteila zeigt keine Besonderheiien una ist so durchgebogen, daß die stärker konvexe Fläche dem Bild zugewandt ist, was einen geringen sphärischen Fenlerbenrag garantiert,

Um weiter bei dem tripletartigen Syatemteil mit unsymmetrisch liegender Hauptebene in Zudammennang mit dem billseitigen Objek+ivteii den FarovergrÖßerungsfehler korrigieren zu können, ist es erforderlich, beim objektseitigen Objektivteil die bj.-seitige Haupteben« für die kürzeren Wellenlängen in Ricr.tung zum Objekt hin zu verlegen, was wegen der unvermeidlichen Dispersion der verwendeten Einzel linsen nur durch eine hohe Dispersion der ersten Linse, d. h. durch einen Abbe'sehen X^-Wert, der für diese linse kleiner als 38 ist, erreicht werden kann. Für den biliseitigen Objektivteil hat es sich aus Herste ι lungsgrunden aits vorteilhaft erwiesen, die ersten beiden üileder ale Kittglieder und die letzten beiden als Einzel linsen auezubiider..

Um den bei solchen Kittgliedern entstehenden Zonenfehler der sphärischen Aberration klein zu halten und gleichzeitig eine chromatische Korrektion zu ermöglichen, ist es erforderlich, die Krümmung der Kittradien möglichst gering zu wählen, was bei gegebener Brechkraft durch eine hohe Differenz der

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SAD

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Brechzahlen uria eine große Differenz der Abbe¹ sehen IT'-Werte an diesen Kittiläoaen erreicht wird. Insbesondere wenn die erwähnten Kittg.aeier nur je eine streuende Kittfläche entnaJten, sollte die Differenz der Brechzaruen größer als 0,2 und die Differenz der Abbe^fsehen I? -Werte größer als 30 an beiden Kittflächen sein, ^abei ist für das aweite Glied des bildseitigen Objektivteils die Anordnung der streuenden Kittfläche unkritisch.

Die Tabellen 1 und 2 zeigen zwei Ausführungsbeispiele eines solchen MikroreproauktionsobjeKtivs für einen Spektralbereich von 50 nm bei einer mittleren .Velleniänge entsprechend der Spektrallinie e von 546 nm.

Um eine gaußfehlerfreie sphärische Korrektion über einen größeren Spektralbereich zu ermöglichen, ist es vorteilhaft, das erste Glied des bildseitigen Objektivteils mit zwei streuennen Kittflächen, an denen die Differenz der Abbe'scnen y -Werte größer als 30 ist, zu versehen, die zusammen üe chromatische Korrektion übernehmen, während das folgende Glied zur Unterdrückung des Gaußfehlers chromatisch fast wirkungslos bleibt, indem iie Differenz der ]? -Werte an dessen Kittfläche betragamäßig kleiner als 10 bleibt.

Die Beispiele der Tabellen 3 und 4 zeigen eine gute s/>ärische Korrektion für eine Wellenlänge von 546 nm (Spektrallinie e) bis 436 nm (Spektrallinie g), sind aber für ein großes Bildfeld nur für die letztere Wellenlänge optimal korrigiert.

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' In der Tabelle 5 sind für bekanntgewordene Objektive ähnlichen Aufbaus und auszugsweise für die Objektivbeispiele 2 und 3 die wesentlichen analytischen Bildfehler nach der Seidel¹sehen und Focke¹sehen Theorie zusammengestellt. Dabei bedeuten:

B = sphärische Aberration, K = Koma, G = Astigmatismus, P = Petzvalsumme, B = Verzeichnung, KP = Pfeilfehler.

Die ausgewählten Beispiele 2 und 3 zeigen insbesondere eine wesentlich bessere Verzeichnung sowie einen verringerten Pfeilfehler gegenüber bekannten Objektivtypen. Bezüglich der analytischen Bildfehler zeigen die Beispiele der Tabellen 1 und 4 keine wesentlichen Abweichungen gegenüber den Beispielen der Tabellen 2 und 3·

In den Zeichnungen sind in den Figuren 1 bis 4 die Systeme dargestellt, die den Tabellen 1 bis 4 entsprechen.

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Tabelle 1
f = 1
Radien

β ' = - 0,06727 numerische Apertur =0,5

Dicken und Luftabstände

Brechzahlen η

Abbe'sehe Zahlen

Ve

^X14 ⁼

^r15 ^ri6 ^e

+ 18,6624

- 5,7274 + 6,5228

+ 1,0154 + 12,2202

- 2,8700 + 3,0203

- 1,3850

- 11,0646 + 2,7515

- 1,2656

- 2,4317 + 1,4382

- 74,4126 + 0,6878 + 0,3628

<3U =

^d3 h

Ci₁

^l5

1. =

¹S

0,2026 1,4752 0,1520 = 1,6044 = 0,3040 = 1,1478 =0,4280 -■ 0,1520 0,6546 0,4053 0,1520 0,0182 0,4163 0,0051 0,5825

1,62410 1,51824 1,62287

1,51824 1,74707

1,51824 1,74707 1,62287 1,62287

36,1 63,8 60,0

63,8

27,5

63,8 27,5

60,0 60,0

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Tabelle 2 f = 1 Radien

β ' a - 0,06667 Numerische Apertur =0,5

Dicken und Luftabstände Brechzahlen η
e

Abbe'sehe Zahlen

P₁ = + 26,5384

T₂ » - 5,2763

T₃ = +370,5542

r₄ = + 1,1748

T₅ - + 12,7248

P₆ »- 3,2474 r₇ = + 2,7573 = - 1,6446 = - 12,8924 = + 2,2328 * + 1,2488

= - 4,1304

» + 1,4197

= + 10,2656

a + 0,8142

= + 0,4476

^d1 =

X ο *■·

¹A-

ar -

0,2457 0,9338 0,1278

1,5907 0,2621

ι,4760 0,3440 O,-.676 0,7443 0,'.638

- 0,6007

- 0,0055

- 0,4'01

= 0,6383 1,67764 1,51824 1,62287

1,5:824 '., 74707

',74^07 ■,51824 1,62287 1,68*01

32,0 63,8 60,0

63,8 27,5

63,8 60,0

54,7

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BAD ORlGtNAL

Tabelle 3
f = 1
Radien

- 11 -

ß* » - 0,06683 !Turnerische Apertur = 0,5

Dicken und Luftabstände

Brechzahlen Abbe'sehe _n Zahlen

10

i6

+ 8,1195

- 5,6185 + 10,3627 + 1,0171 + 9,5438

- 3,2196 + 2,5908

- 2,3947 + 1,0386

- 7,2424 + 2,8793

- 0,9992

- 3,1856 + 1,1845

- 41,2974 + 0,8120 + 0,3994

1. d,

io

0,2201	1,67764	32,0
0,7325
0,2774	1,55897	58,3
1,4312
0,2150	1,69649	53,3
1,6293
0,3455	1,48915.	69,8
0,1024	1,69416	30,9
0,2687	1,48915	69,8
0,5318
0,3199	1,50207	61,4
0,1408	1,57086	62,9
0,0051
0,3583	1,68101	54,7
0,0051
0,6378	1,70559	40,9

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Tabelle 4

f = 1.
Radien

- 0,06684 Numerische Apertur - 0,5

Dicken und Luftabstände

Brechzahlen η e

Abbe·sehe Zahlen

ΊΟ

Ί1 Ί2

Ί3 Ί4 Ί5 •16 Ί7

+ 5,6301

- 6,1197 + 33,8225 + 1,0081 + 10,3497

- 3,0914 + 3,0243

- 1,8305 + 1,0304

- 5,3542 + 3,3962 + 1,1023

- 2,6100

+ 1,0864 + 13,4787 + 0,8422 + 0,4272 Cl₁ - 0,2138 I₁ = 0,7887 d₂ = 0,2099

1,67764

1,55897

32,0 58,3

	« 1,1592	1,69649	53,3
	= 0,2089
I3	- 1,6535	1,48915	69,8
	» 0,2486	1,69416	30,9
d5	■ 0,0995	1,48915	69,8
d6	= 0,3481
I4	= 0,5351	1,57086	62,9
d7	= 0,1482	1,50207	61,4
d8	= 0,2994
5	=0,0050	1,68101	54,7
d9	= 0,4476
I6	= 0,0050	1,77491	40,5
d10	» 0,6465

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ΝΑΟΙ :Χ.::;λΞ!ΟΗΤ

Tabelle 5

Ausgewählte Seidel'sehe und Focke'sche Bildfehler für zwei bekannte ObJektivtypen sowie für Beispiele 2 und 3 vorliegender Erfindung.

Stand der Technik

vorliegende Erfindung

	Brit,Patent 1 050 055 Beispiel 2	. DWP 89 733	Beispiel 2	Beispiel 3
B	+ 0,000	+ 0,003	+ 0,003	+ 0,005
K	+ 0,003	-0,007	- 0,003	- 0,008
C	- 0,038	+0,003	- 0,014	- 0,019
P	+ 0,050	+0,025	+ 0,086	+ 0,055
E	+ 21,73	+4,57	+ 0,14	+ 0,04
KP- 6,9	-3,3	- 2,3	- 2,0

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Claims (4)

1. -H-Pat ent anSprüche

   il Objektiv für Mikroreproduktion mit einer bildseitigen numerischen Apertur von mindestens 0,5 und einem Bildfej-ddurchmesser von 0,15 f, bestehend aus einem bildseitigen Objektivteil, sowie aus einem vor diesem bildseitigen Objektivteil im Abstand größer als f angeordneten objektseit igen Objektivteil, wobei der bildseitige Objektivteil ähnlich einem Mikroobjektiv aufgebaut ist und in Lichtrichtung gesehen aus einem Achromaten, welcher mindestens eine zum Objekt konkave, streuende Kittfläche aufweist, aus zwei sammelnden Gliedern, von denen mindestens eines eine streuende Kittfläche enthält und von denen das zweite' seine konvexe bzw. stärker konvexe Außenfläche, die bezüglich ihrer Durchbiegung nahezu aplanatisch bzw. im Bereich zwischen aplanatisch und konzentrisch liegt, dem Objekt zuwendet, und aus einem dicken Meniskus besteht, dessen Dicke zwischen 0,5 f und 0,75 f liegt und dessen konvexe Fläche, die wesentlich weniger gekrümmt ist als die dem Bild zugewandte konkave Fläche, in ihrer Durchbiegung ebenfalls zwischen einer aplanatischen und konzentrischen Form liegt, dadurch gekennzeichnet, daß der objektseitige Objektivteil als tripletartiges System aus Positiv-, Negativ- und Positivlinse aufgebaut ist, dessen Brennweite größer als 6 f ist und dessen bildseitige Hauptebene in oder hinter der letzten Linse dieses Objektivteils liegt, indem bei diesem objektseitigen Objektivteil die erste Linse eine Brennweite zwischen 4- f und 8 f aufweist, wobei die dem Bild zugewandte Fläche dieser Linse

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   konvex ist und eine Brechkraft von mindestens 0,1/f besitzt, die beiden nachfolgenden Linsen jeweils ihre stärker gekrümmte Fläche dem Bild zuwenden, der erste Luftraum in den Grenzen 0,6 f und 1,8 f liegt und die Form einer dicken Zerstreuungslinse hat, daß fernerhin die Brennweite der zweiten Linse zwischen -1,7 f und -3 f liegt und der bildseitige, konkave Radius dieser Linse 0,6 bis 0,9 mal kleiner ist als der anschließende Luftraum, welcher zwischen 1,1 f und 2 f schwanken kann, wobei f die Brennweite des Gesamtsystems darstellt.
2. 2. Objektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abbe'sehe s -Wert der ersten Linse des objektseitigen Objektivteils kleiner als 38 ist und daß die beiden ersten Glieder des bildseitigen Objektivteils Kittglieder mit streuenden Kittflächen und der äußeren Form nach Bikonvexlinsen und die beiden folgenden Glieder Einzellinsen sind.
3. 3· Objektiv nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß beide Kittglieder des bildseitigen Objektivteils aus je zwei verkitteten Linsen bestehen, daß an diesen Kittflächen die Differenz der Brechzahlen größer als 0,2 und die Differenz der Abbe'sehen ι -Werte größer als 30 ist.
4. 4. Objektiv nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch die in Tabelle 1 für eine Brennweite f = 1 und einen Abbildungsmaßstab ^¹ = -0,06727 angegebenen Zahlenwerte.

   Folgende Abweichungen von den angeführten Werten sind möglich: Reziproke Radien: + 0,1/f

   Dicken und Lufträume außer I₅ und 1^: + 0,05 f

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   Lufträume I₅ und I₆: + 0,05 f; - 0,005 f

   Brechzahlen: + 0,03

   U- Werte ±3,0

   5. Objektiv nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch die in Tabelle 2 für eine Brennweite f = 1 und einen Abbxldungsmaßstab /)' = - 0,06667 angegebenen Zahlenwerte.

   Folgende Abweichungen von den angeführten Werten sind möglich: Reziproke Radien: + 0,1/f

   Dicken und Lufträume außer I₅ und 1^: + 0,05 f Lufträume I₅ und Ig: + 0,05 f; -0,005 g

   Brechzahlen: + 0,03

   ¹U-Werte: + 3,0 .

   6. Objektiv nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im bildseitigen Objektivteil das erste Kittglied aus drei miteinander verkitteten Linsen besteht, wobei eine streuende Bikonkavlinse zwischen zwei Sammellinsen niedriger Brechkraft angeordnet ist, daß die Differenz der Abbe'sehen Zahlen V an

   diesen Kittflächen größer als 30 ist, während für das zweite Kittglied die Differenz der Abbe¹sehen Zahlen an dessen Kittfläche betragsmäßig kleiner als 10 bleibt.

   7. Objektiv nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch die in Tabelle 3 für eine Brennweite f = 1 und einen Abbxldungsmaßstab //?' = - 0,06683 angegebenen Zahlenwerte.

   Folgende Abweichungen von den angeführten Werten sind möglich: Reziproke Radien: + 0,1/f

   Dicken und Lufträume außer 1 und 1 : + 0,05 f

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   Lufträume I^ und Igt + 0,05 f; - 0,005 f

   Brechzahlen: + 0,03

   Ί?-Werte: + 3,0

   8, Objektiv nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch die in Tabelle 4 für eine Brennweite f = *, und einen Abbildungsmaßstab P ^f = -0,06684 angegebenen Zaalenwerte. Folgende Abweichungen von den angeführten Werten sind möglich: Reziproke Radien: + 0,1/f

   Dicken und Lufträume außer l_c und L·-: ψ 0,05 f Lufträume jL· und let * 0_s05 f? - 0,005 f

   Brechzahlen: -h 0_s03

   2^-Werte: ' + 3_e0 -

   Sln/Pi

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   ORIGINAL INSPECTED

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