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Langbrennweitiges katadioptrisches Objektiv.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Scharfeinstellen eines langbrennweitigen
Objektivs, das ein vorderes dioptrisches System, ein erstes katoptrisches System,
ein zweites katoptrisches System und ein hinteres dioptrisches System umfaßt und
bei dem die effektive Brennweite f(KI+RI+RII) des vorderen Linsensystems, bestehend
aus dem vorderen dioptrischen System, dem ersten katoptrischen System und dem zweiten
katoptrisohen System, und die effektive Brennweite f des gesamten Objektivs in der
Beziehung f(KI+RI+RII) # f/;i,2 zueinander stehen, sowie ein langbrennweitiges katadioptrisches
Objektiv zur Ausübung des Verfahrens.
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Für ein langbrennweitiges Objektiv mit einer Brennweite von 1 m und
2 m wird im allgemeinen ein katadioptrisches Linsen system verwendet. Dies geachieht,
weil die Gesamtlänge des Ob-Objektivs durch die Verwendung eines katoptrischen Systems
auf weniger als ein Drittel der Brennweite reduziert wird und das Objektiv dadurch
bequem su bedienen ist, Außerdem hat dieser Objektivtyp nur eine sehr kleine chromatische
Aberration. Der Grund fUr die Verwendung eines dioptrisohen Linsensystems ist,
die-Gesamtlänge
des Objektivs durch Ausnützung des teleskopischen Effekts zu verkürzen und verschiedene
durch das katoptrische System verursachte Äberrationen zu korrigieren.
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Ein typisches Objektiv des katadioptrischen Typs besteht aus vier
optischen Komponenten. Diese sind hierin in Bortbewegungarichtung des Lichtes als
vorderes dioptrisches System, erstes katoptrisches System, zweites katoptrisches
System und hinteres dioptrisches System bezeichnet. Die dioptrischen Systeme können
jeweils aus einer einzelnen Linse oder einer Linsenkombination bestehen. Die katoptrischen
Systeme können jeweils von dem einfachen, an der Vorderfläche reflektierenden Typ
sein oder von dem Typ, der an einer Hinterfläche reflektiert und vor der hinteren
Reflexionsfläche einen transparenten dioptrischen Teil hat. Das erste katoptrische
System kann ein ringförmiger Reflektor mit einer Mittenöffnung oder mit einem zentralen
transparenten Teil sein.
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Wenn sich bei einem solchen katadioptrischen System das Objekt vom
Abstand unendlich dem Objektiv nähert, verschiebt sich die Lage des Brennpunktes
ebenfalls von dem Objektiv weg weiter nach hinten. Bei den gewöhnlichen photographischen
Objektiven wird das Aufnahmeobjektiv nach vorne geschoben, um den Brennpunkt in
der Brennebene, d.i. der Filmoberfläche, zu halten.
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Je länger jedoch die Brennweite des Objektivs wird, desto große ser
wird die Bewegung des Objektivs, die notwendig ist, um den Brennpunkt auf der Filmfläche
zu halten. Außerdem steht die Verschiebung zum Halten des Pokus auf der Filmfläche
in enger Beziehung zu dem Abstand zwischen den Hauptpunkten des Objektivs. Je länger
der Abstand zwischen den Hauptpunkten wird, desto größer wird auch die notwendige
Verschiebung fur die Fokussierung auf dem Film.
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Bei dem katadioptrischen System wird, da die Gesamtlänge des Objektivs
im Vergleich zur Brennweite (f) bemerkenswert kurz ist, der Abstand zwischen den
Hauptpunkten (H) oft lang.
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Manchmal erreicht #H eine Länge zwischen 2f und 5f. Deshalb wird bei
einem kompakten katadioptrischen Linsensystem mit langer Brennweite die für die
Fokussierung auf dem Film erforderliche Verschiebung der Linse oft extrem groß.
Wenn zB. die Brennweite £=1000 mm und tH=2f, beträgt die Linsenverschiebung für
die Scharfeinstellung, wenn das Objekt bis zu einem Abstand der zehnfachen Brennweite
heranrückt, etwa 172 mm.
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Wenn der Abstand zwischen den Hauptpunkten noch größer ist, beispielsweise
tH=4,4f, wie bei dem weiter unten beachriebenen Beispiel, wird die zur Scharfeinstellung
notwendige Objektivverschiebung etwa 283 mm. Diese Werte müssen als unvernunftig
groß für photographische Objektive angesehen werden.
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Daraus ergeben sich verschiedene Probleme, dieses Scharfeinstellungsverfahren
für solche photographischen Objektive geeignet zu machen. Eine Schwierigkeit besteht
darin, daß es notwendig wäre, einen großen Bewegungsspielraum für das Objektiv hinter
seinem Hinterende und der Fassung am Kameragehäuse vorzusehen, indem man die Schnittweite
des Objektivs lang macht und einen Mechanismus zum Verschieben des Objektivs in
diesem Raum vorsieht, damit es möglich ist, das Objektiv über eine lange Strecke
zu verschieben. Dies steht dem Ziel entgegen, das katadioptrische Linsensystem leichtgewichtig
und klein zu machen, und ist für die Fertigung unvorteilhaft. Außerdem ist eine
derartig große Verschiebung des Objektivs für dessen Funktion ungünstig0 Eine andere
Methode zur Scharfeinstellung bei dem katadioptrischen System besteht darin, den
Abstand zwischen Spiegeln, d.i. die Brennweite zu verändern, indem man das erste
katoptrische System relativ zum zweiten katoptrischen System bewegt.
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Dies beruht auf dem Gedanken, daß die Verschiebung des Objektivs reduziert
wird, wenn man eine Linsengruppe mit hoher Brechkraft verschiebt. Tatsächlich ist
die Verschiebungsstrekke des Objektivs bei dieser Methode sehr klein.
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Aber auch bei dieser Methode treten einige Probleme auf. Ein
Problem
liegt darin, daß eine große Kraft notwendig ist, um die große Linsengruppe zu bewegen,
und demgemäß der Bewegungsmechanismus groß und kompliziert wird, was 9ür seine Fertigung
und Betätigung unzweckmäßig ist. Ein zweites bedeutsames Problem beruht darin, daß
beim Bewegen der katoptrischen Systeme es leicht zu einer exzentrischen Fehlstellung
des Linsensystems kommt, was die optische Leistung des Objektivs in hohem Maß beeinträchtigt.
Die wichtigsten optischen Komponenten in dem katadioptrischen System sind natürlich
die katoptrischen Systeme, die das Licht in dem optischen System reflektieren; daher
ist der Einfluß der Exzentrizität der katoptrischen Systeme auf die optische Leistung
beträchtlich größer als die von den anderen durchlässigen Flächen oder dioptrischen
Systeme stammenden Einflüsse. Oberhalb muß die Genauigkeit in der Position der reflektierenden
Plächen sorgfältig eingehalten werden. Es ist folglich unerwünscht, die reflektierenden
Flächen beim Scharfeinstellen zu bewegen, die ja die optische Leistung in hohem
Maß beeinflussen.
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Wie oben erwähnt, kann die Verschiebung des Objektivs zur Pokussierung
auf der Filmfläche klein gemacht werden, wenn die Brennweite und der Abstand zwischen
den Rauptpunkten des bewegten Objektivs kurz ist Daher wird gemäß der Erfindung
der Abstand zwischen dem hinteren dioptrischen System und der Filmfläche konstant
gehalten und das vordere optische System, bestehend aus dem vorderen dioptrischen
System und dem ersten und zweiten katoptrischen System, wird relativ zum hinteren
dioptrischen System bewegt. Dieses Verfahren der Scharfeinstellung reduziert sowohl
die für die Scharfeinstellung notwendige Verschiebung, wenn das Objekt näher an
das Objektiv heranrückt, und bietet außerdem den Vorzug, daß die Aberration des
Objektivs durch die Verschiebung kaum verschlechtert wird.
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Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben
sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
anhand
der Zeichnungen. Darin zeigen: Fig. 1 einen Schnitt eines Ausführungsbeispiels eines
katadioptrischen Objektivs; Fig.2A-2G Diagramme der Aberrationen für den Fall, daß
das Qbjektiv als ganzes zur Scharfeinstellung bewegt wird, wobei die Brennweite
1000 mm und der Objektabstand 10 000 mm beträgt; Fig. 3A-3G Diagramme der Aberrationen
für den Fall, daß das Obaktiv gemäß der Lehre der Erfindung bewegt wird, wobei die
Brennweite 1000 mm und der Objektabstand 10 000 mm beträgt.
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In Fig.1 ist ein Beispiel der Konstruktion eines katadioptrischen
Objektivs gezeigt. Das in Fig.1 dargestellte katadioptrische Objektiv besteht aus
vier optischen Komponenten. Diese werden hierin in der Reihenfolge der Fortbewegung
des Lichtes folgendermaßen benannt: Vorderes dioptrisches System K1, erstes katoptrisches
System R zweites katoptrisches System RII, und hinteres dioptrisches System KII.
Die dioptrischen Systeme K und KII können jeweils aus einer einzelnen Linse bestehen
oder aus einer Linsenkombination. Die katoptrischen Systeme R1 und RII können jeweils
von dem Typ einer einfachen Reflexion an einer Oberfläche oder einer Rückflächenreflexion
sein, wobei letzterer Typ einen transparenten dioptrischen Teil vor der hinteren
reflektierenden Fläche hat. Das erste katoptrische System R1 kann ein ringförmiger
Reflektor sein, der in der Mitte eine Öffnung oder einen zentralen transparenten
Teil hat.
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Es wird nunmehr das erfindungsgemäße Verfahren zur Fokussierung dieses
Typs eines langbrennweitigen katadioptrischen Objektivs beschrieben. Da die Verschiebung
des Objektivs, um den Fokus auf der Filmfläche zu halten, klein gemacht werden kann,
wenn die Brennweite und der Abstand zwischen den Hauptpunkten des bewegten Objektivs
kurz ist, wird der Abstand zwischen dem hinteren
dioptrischen System
und der Filmfläche, wie in Fig.1 gezeigt, konstant gehalten und die Kombination
von KI+RI die eine gewisse Brechkraft hat, wird bewegt, um die Verschiebung des
Objektivs zu bewerkstelligen, damit der Pokus klein gehalten wird. Das heißt, die
Kombination KI+RI+RII wird um eine Strecke verschoben, die der Verschiebung der
Brennebene der Kombination KI+RI+RII entspricht, welche durch die Bewegung des Objekts
verursacht wird, damit der Brennpunkt des Objektivs an einem zur Pilmfläche bezüglich
KII konjugierten Punkt gehalten wird. Da das hintere dioptrische System KII in dem
katadioptrischen Linsensystem als ein Element angesehen werden kann, um die Brennweite
des gesamten Linsensystems und den Abstand zwischen den Rauptpunkten zu vergrößern,
kann im allge meinen die zur Scharfeinstellung notwendige Objektivverschiebung reduziert
werden, indem man die gleiche Kombination KI+RII+RII unabhängig von dem hinteren
dioptrischen System K11 verschiebt. Nimmt man an, daß die Brennweite dieser Kombination
£ RI+RII) = f/i,2, und berechnet man die erforderliche Verschiebung, dann ist die
Verschiebungsstrecke etwa 94 mm, was nur etwa die Hälfte von 172 mm ist, die zur
Scharfeinstellung bei Verschiebung des Objektivs als ganzes notwendig wären. In
der praktischen Ausführung des Objektivs ist es zweckmäßiger, die Kombination, die
die größeren Abmessungen hat, festzuhalten und das verhältnismäßig kleine dioptrische
System KII zusammen mit dem Kameragehäuse au bewegen. Wenn man die Elemente in dieser
Weise bewegt, ist der zu verschiebende Teil kleiner und auch seine Verschiebungsstrecke
ist kürzer, Bei diesem Verfahren sind die katoptrischen Systeme natürlich fixiert;
demgemäß verringert sich die Beeinträchtigung der optischen Qualität durch Exzentrizität,
was für die Punktion und Fertigung des Ob-Objektivs vorteilhaft ist, Das erfindungsgemäße
Verfahren zur Scharfeinstellung ist auch noch in anderer Hinsicht vorteilhaft, nämlich
weil die Aberration durch die Bewegung des Objekts kaum verschlechtert wird.
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Dieser Objektivtyp ist an sich so konstruiert, daß er die Aberration
für ein Objekt im Unendlichen korrigiert, und daß
hintere dioptrische
System K11 bewirkt die Korrektion für die restliche, von der Kombination KI+RI+RII
verursachte Aberration. Je stärker die Brechkraft der Kombination KI+RI+RII ist,
desto größer ist die auf dem hinteren dioptrischen System KII lastende Bürde für
die Korrektion der Aberration. Wenn jedoch das Objekt bis zu einem bestimmten Abstand
näher heranrückt, ändert sich die Lage des von der Kombination KI+RI+RII fokussierten
Bildes und die für das unendlich entfernte Objekt ersielte Aberrationsbalance verschlechtert
sich. Gemäß der Erfindung wird jedoch der Abstand vorn hinteren dioptrischen System
K11 ebenfalls um die Strecke verändert, die der Verschiebung des durch die Kombination
KI+RI+RII scharfabgebildeten Bildes entspricht, und dementsprechend verschlechtert
sich der Ausgleich der Aberrationen nicht und die Aberration bleibt gut korrigiert.
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Wie schon erwähnt, kann man sagen, daß das Verfahren der Scharfeinstellung
durch Verändern des Abstandes zwischen dem hinteren dioptrischen System und der
vorderen, die katoptrischen Systeme einschließenden optischen Komponente deutlich
vorteilhaft für die Fertigung der optischen Elemente und im Gebrauch des Objektivs,
sowie in der Leistung des Objektivs ist. Nunmehr wird die Erfindung anhand der korrigierten
Aberrationen gemäß den Fig.2A-2G, in denen die Aberrationen eines herkömmlichen
Objektivs für den Fall der Verschiebung des Objektivs gezeigt sind, und gemäß den
Fig. 3A-3G, in denen die Aberrationen des erfindungsgemäßen Objektivs gezeigt sind,
beschrieben. Bei letzterem reduziert sich die Verschiebung des Objektivs auf 1/4
oder weniger des herkömmlichen Verfahrens, bei dem das gesamte Objektiv bewegt wird,
und die Aberration ist gemäß der Erfindung deutlich verbessert.
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Die Aberrationsdiagramme der Rig.2A-2G und DA-3G wurden unter Verwendung
eines katadioptrischen Objektivs mit den in nachstehender Tabelle aufgeführten Daten
entwickelt. Im einzelnen setzt sich dieses Objektiv zusammen aus einem vorderen
dioptrischen System, das aus einer zusammengesetzten Linse mit den
Linsengliedern
L1 und L2 besteht, aus einem ersten katoptrischen System vom Rinterflächenreflexionstyp,
bestehend aus einem Linsenglied L3 und einem Spiegelelement Mt, aus einem zweiten
katoptrischen System ebenfalls vom Hinterflächenreflexionstyp, bestehend aus einem
Linsenglied L4 und einem Spiegelelement M2, und aus einem hinteren dioptrischen
System, bestehend aus einer zusammengesetzten Linse mit den Linsengliedern L5 und
L6. Die Radien R1-R13 und die Dicken d1-d8 der Linsenglieder und die Abstände @1-
e4 zwischen den Linsengliedern L1-L6 und Spiegelelementen M1 und M2 sind zusammen
mit den Brechungsindices n1-n8 und Abbeschen Zahlen V1- V6 in der nachstehenden
Tabelle niedergelegt: Brennweite des gesamten Objektivs: f = 1000 Schnittweite des
gesamten Objektivs: FB = 51,3 Abstand zwischen den Hauptpunkten des gesamten Objektivs:
= 4431,8 Brennweite der Kombination der bewegbaren optischen Elemente: f(KI+RI+RII)
= 728,3 (=f/1,37) Abstand zwischen den Hauptpunkten der Linsenkombination: #H(KI+RI+RII)
= 280,9.
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Tabelle
| Opt. Krümmungs- Linsendicke Brechungs- Abbesche |
| System radius od. Abstand index Zahl |
| R1 = 440.0 |
| d1 = 7 n1 = 1,50977 v1=62.1 |
| R2 = 1691.6 |
| KI l1 = 6 |
| R3 = -553.0 |
| d2 = 5 n2 = 1,62606 v2=39.1 |
| R4 = -882.2 |
| l2 = 180 |
| R5 = -700.0 |
| d3 = 5 n3 = 1,51823 v3=59.0 |
| RI R6 = -661.4 |
| d4 = -5 |
| R7 = -770.0 n4 = -1.51823 |
| l3 = -182 |
| R8 = -1200.0 n5 = -1.64000 |
| d5 = -3 |
| RII R9 = -450.0 |
| d6 = 3 n6 = 1.64000 v4=60.2 |
| R10= -1200.0 |
| l4 = 180 |
| R11= -100.0 |
| d7 = 2 n7 = 1.77252 v5=49.6 |
| KII R12= 55.0 |
| d8 = 7 n8 = 1.67270 v6=32.2 |
| R13= -224.0 |
Für das oben definierte Objektiv veranschaulicht ein Vergleich
der zur Scharfeinstellung auf dem Film erforderlichen Verschiebung bei Bewegung-des
gesamten Objektivs und bei Verschiebung gemäß der lehre der Erfindung noch deutlicher
die Vorzüge der Erfindung. Bei einem Objektabstand von 10 000 mm beträgt die erforderliche
Änderung der Schnittweite AfX bei Verschiebung des gesamten Objektivs 282,7 mm.
Im Gegensatz hierzu ist bei einem Objektabatand von 10 000 mm die Änderung des Abstandes
e6 zwischen dem vorderen optischen System KI+RI+RII und dem hinteren dioptrischen
System K11 nur 64,9 mm.
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Die beschriebene Ausführung ist nur- ein Beispiel, gegenüber dem in
Ausübung der Erfindung verschiedene Abänderungen möglich sind.