DE2546927A1 - Triplet-objektiv - Google Patents
Triplet-objektivInfo
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- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
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- G02B13/18—Optical objectives specially designed for the purposes specified below with lenses having one or more non-spherical faces, e.g. for reducing geometrical aberration
-
- G—PHYSICS
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- G02B9/00—Optical objectives characterised both by the number of the components and their arrangements according to their sign, i.e. + or -
- G02B9/12—Optical objectives characterised both by the number of the components and their arrangements according to their sign, i.e. + or - having three components only
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Description
PATENTANWÄLTE
Dipl.-Chem. Dr. Brandes Dr.-Ing. Held
Dipi.-Phys. Wolff
Dipi.-Phys. Wolff
D - 7 Stuttgart 1, Lange Straße 51
Tel. (07 11} 29 63 10 u. 29 72 95
Telex07 22312(patwod)
Telegrammsdresse:
tlx 07 22312 wolff Stuttgart
PA Dr. Brandes: Sitz München Postscheckkonto Stgt. 7211-700 Deutsche Bank AG, Stgt. 14/28630
Börozeit:
9-11.30 Uhr, 13.30-18 Uhr
außer samstags
13. Oktober 1975 Unsere Ref.i 124 791/487375 kdk
Eastman Kodak Company, Rochester, Staat New York,
Triplet-Obj ektiv
9 8 18/ 1 0 Cf 7 Telefonische Auskünfte und
Aufträge sind nur nach scftriftSonej·
Bestätigung verbindlich
Die Erfindung betrifft ein Objektiv mit einem vorderen positiven bikonvexen, einem mittleren positiven bikonkaven und einem hinteren
positiven bikonvexen Element, insbesondere ein Triplet-Objektiv mit in Luft stehenden Elementen.
Triplet-Objektive für photographische Geräte sind bekannt
und schon seit vielen Jahren in Gebrauch. Viele Jahre lang
werden in der photographischen Technik auch bereits Objektive
großer relativer Öffnung benutzt. 2-lit dem Aufkommen der Photographic
mit vorhandenem Licht ohne künstliche Szenenaufhellung (available light photography) -hat sich die Benutzung von Objektiven
großer relativer Öffnung auf photographische Geräte ausgeweitet, die als Massenerzeugnis für den Absatz an Amateure
ausgelegt sind. Bei solchen für den Amateurgebrauch gedachten Geräten spielt der Preis des Objektivs eine bedeutende
Rolle, der, was die bekannten, verhältnismäßig komplizierten, hochkorriglerten Objektive großer relativer Öffnung anbelangt,
zu. hoch ist.
Im Interesse der Kostensenkung ist es bereits üblich, bei Triplet-Objektiven
Elemente aus Kunststoff anzuwenden. Bei einer Verwendung von Elementen aus Kunststoff werden gewöhnlich jedoch
einige der bei der Konstruktion auftretenden Probleme noch ver-"
schärft« So kann sich beispielsweise in verstärktem Maße die Bild-Brennweite durch thermisch verursachtes Zusammenziehen und
Ausdehnen der Elemente ändern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Objektiv mit drei
optischen Elementen zu schaffen, das bei großer relativer Öffnung,
obwohl zumindest ein Teil seiner Elemente aus Kunststoff gefertigt ist, frei von diesen Beeinträchtigungen ist.
Bei einem Objektiv der eingangs genannten Art ist diese Aufgabe
erfindungsgemäß dadurch gelöst,, daß das vordere Element
zwei asphärische Oberflächen und das mittlere Element zumindest
eine asphärische Oberfläche aufweisen* Es wird dadurch ein Ob-
6Q38t87tQ:Q.7
jektiv geschaffen, bei dem sich bei großer relativer Öffnung
eine verbesserte Korrektur der Aberrationen ergibt.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel können die ersten beiden Elemente aus Kunststoff, z.B. aus Polymethylmethacrylat,
Polyzyklohexylmethacrylat, Polystyrol oder Acryl-Nitril-Mischpolymerisaten
hergestellt sein.
Die Erfindung wird nachfolgend im einzelnen erläutert.
Die einzige Fig. zeigt einen schematisierten Längsschnitt
durch ein aus drei Elementen gebildetes Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung.
In der vorliegenden Beschreibung und in den Ansprüchen bezeichnet der Ausdruck Element eine Linse oder ein ,Glied des optischen
Systems, das als Ganzes mit dem Ausdruck "Objektiv" bezeichnet ist. Mit in der Zeichnung von links nach rechts ansteigenden
arabischen Zahlen sind die Elemente numeriert. In sämtlichen Beispielen und Ansprüchen sind die Elemente, die Brechungsindizes N, die Abbe'sehen Zahlen V, die Krümmungsradien R,
die Dicken T und die Luftabstände S mit Indizes entsprechend der Numerierung der Zeichnung bezeichnet. Die Brechungsindizes beziehen
sich auf die 0^5893 Mikron Natrium-D-Linie des Spektrums, Die Abbe'sehen Zahlen wurden unter Verwendung des Brechungsindex
für die D-Linie als Hauptdispersion und der Differenz zwischen
den Brechungsindizes der 0,4861 Mikron Wasserstoff-F-Linie und
der 0,6563 Mikron Wasserstoff-C-Linie berechnet. Krümmungsradien,
bei denen der Krümmungsmittelpunkt auf der rechten Seite der Oberfläche liegt, sind als positiv und Krümmungsradien mit auf
der linken Seite der Oberfläche liegendem Krümmungsmittelpunkt
als negativ bezeichnet.
609818/V007
2b4692?
Bei sämtlichen Ausführungsbeispielen weist das Objektiv,
wie es in der Zeichnung dargestellt ist, drei durch Luft voneinander getrennte Elemente 1, 2 und 3 auf. Das Element
ist ein vorderes positives bikonvexes Element. Das Element 2 ist ein mittleres negatives bikonkaves Element. Das Element
3 ist ein hinteres positives bikonvexes Element. Hit D ist eine Blende bezeichnet.
Die Verwendung von asphärischen Oberflächen bei der Objektivkonstruktion
gibt dem Konstrukteur zusätzliche Parameter für die Korrektur von Aberrationen in die Hand. Die Einführung
einer asphärischm Oberfläche ist bei einem Objektiv großer relativer Öffnung besonders nützlich, da asphärische Flächen
dazu benutzt v/erden können, um zur Verbesserung der optischen Leistung die sphärischen Aberrationen höherer Ordnung über das
gesamte Bildfeld zu beherrschen. Außerdem kann es die Wahl asphärischer Flächen überflüssig machen, die Brechkraft der
sphärischen Oberflächen im Interesse einer Verringerung der Anzahl der Elemente erhöhen zu müssen, wie es in dem Bestreben,
das Objektiv leichter herstellbar zu gestalten, anzustreben ist. Bei der hier zu beschreibenden Konstruktion werden die verbesserte
Korrektur der Aberrationen und die große relative,öffnung dadurch
erreicht, daß an einer oder mehreren der ersten vier Oberflächen des Objektivs eine asphärische Formgebung vorgesehen
ist.
Eine asphärische Fläche kann durch die folgende Gleichung
beschrieben werden:
cy2
X=
-(l+K)C2y2
Diese Gleichung beschreibt eine Fläche mittels ihrer Oberflächen-Durchbiegung
χ in einem einer halben öffnung entsprechenden Abstand y von der Achse des Objektivs. Die
609818/1007
254692?
Konstante C ist die Scheitelkrummung, d.h. die Krümmung der
Oberfläche am Scheitel der Linse. Diese Scheitelkrümmung ist der Reziprokwert des Scheitel-Krümmungsradius R. Mit K ist
eine Kegelkonstante bezeichnet, die durch die Gleichung K = -e2 definiert ist, worin e die Exzentrizität der Fläche
bedeutet. Bestimmte Vierte von K beschreiben Kegelschnitte oder Drehflächen um die optische Achse der betreffenden
Linse. Wenn es gewünscht wird, könnten in der Gleichung für x auch höhere Potenzen als Quadrate eingeführt werden.
In den nachfolgenden Beispielen sind bevorzugte Ausführungsbeispiele des hier zu beschreibenden Objektivs aufgeführt:
Element
N.
Radius
mm
Dicke oder Abstand mm
1,49168 57,4
1,59028 30,9
1,73400 51,0
asphärisch
R =asphärisch
R-^asphärisch
R4=asphärisch
R5=9,OO58
R ==-9,0058
,814
T2=O,900
,975
T3=2,800
809818/ 1 007
Beispiel I stellt eine bemerkenswerte Verbesserung in Bezug auf die Größe der relativen Öffnung und die Größe des nutzbaren Bildwinkels bei einem Triplet dar. Die relative Öffnung '
beträgt f/1,57 bei einer Brennweite von 11,75 mm und einem
halben Bildwinkel von 16,94°. Wie zu ersehen ist, werden bei den ersten vier Linsenoberflächen des Objektivs asphärische
Flächen benutzt, und zwar handelt es sich um eine ellipsoidische, eine hyperboloidische und um zwei paraboloidische
Flächen, welch letztere beiden an dem mittleren negativen Element 2 vorgesehen sind. Jedoch ist die spezielle Auswahl
der asphärischen Form einer bestimmten Oberfläche nicht unbedingt
wesentlich, vielmehr lassen sich^ auch wenn man an
dem ersten Element 1 parboloidische Flächen oder an dem
zweiten Element andere Kegelschnitte vorsieht, ebenfalls Ergebnisse mit vergleichbarer optischer Güte -.erzielen. Element
1 ist aus Polymethylmethacrylat gefertigt, während Element 2 aus Polystyrol hergestellt ist. Brechkraft und Abstand
zwischen diesen beiden Elementen sind so gewählt, daß Veränderungen
der Bild-Brennweite des Objektivs aufgrund von Schwankungen
der umgebungstemperatur auf ein Mindestmaß herabgedrückt werden, während die Korrektur der Aberrationen durch Auswahl
der Kegelschnittflächen dieser beiden Elemente 1 und 2
und zusätzlich durch die Verteilung der Brechkraft innerhalb
der beiden Oberflächen jedes Elements verbessert wird. Das
hintere Element 3 ist aus einem Glas mit einem verhältnismäßig
hohen Brechungsindex gefertigt, um zur Erreichung eines ebenen Bildfeldes beizutragen. Das Element 3 ist außerdem
als symmetrisches bikonvexes Element ausgeführt, was zur Erleichterung
des Zusammenbaus des Objektivs beiträgt, da die Gefahr ausgeschlossen ist, daß das Element in verkehrter
Lage montiert wird. Die asphärischen Flächen sind hierbei
einfache Kegelschnitte ohne irgendwelche höheren Korrekturen,,
und die Koeffizienten für die einzelnen Oberflächen entsprechen der nachstehenden Tabelle:
6098 18/ 1 OQ 1
Fläche 1
C 0,15632779
K -0,84927155
K -0,84927155
Element
Tabelle | V | I' | Fläche | 2546927· | "1,0 |
Fläche 2' | 3 Fläche 4 | ||||
-0,07215136 | -0,08858961 0,23514772 | Dicke oder Abstand | |||
17,36321211 | -1,0 | mm | |||
Beispiel | II | ||||
Radius | |||||
mm |
1,49168
57,4
1,59028
30,9
1,73400
51,0
R =aspharisch
R =asphärisch
R =aspharisch
R,=asphärisch
R5=9,4O18
Rc=-9,4Ol8
T =3,700
=O,825
=O,800
S3=I,123
T3=2,697
Bei der Konstruktion der einzelnen Ausführungsbeispiele zeigte sich,daß Beispiel I anscheinend die Grenze darstellt,
bis zu der die relative Öffnung vergrößert werden kann, wenn gleichzeitig der gewünschte nutzbare Bildwinkel gewährleistet
sein soll. Beispiel II stellt ein Objektiv mit einem verringerten halben Bildwinkel von 16,61° dar, wobei sich eine
Vergrößerung der Brennweite auf 12,00 mm ergibt und, was noch wichtiger ist, eine Vergrößerung der Relativöffnung
auf f/1,40. Wie bei dem Beispiel I sind auch hier die ersten beiden Elemente 1 und 2 aus Polymethylmethacrylat bzw. Polystyrol
gefertige und weisen an ihren sämtlichen vier Ober-
609818/100
flächen asphärische Formgebung auf. Die einzelnen asphärischen Flächen sind ein Ellipsoid, ein Hyperboloid sowie, am mittleren
Element, zwei Paraboloide. Die Wahl dieser speziellen asphärischen Flächen könnte jedoch ohne Einbußen an optischer
Güte abgewandelt werden. Das Element 3 ist auch bei diesem Beispiel wiederum aus einem Glas hoher Brechzahl gebildet,
. um ein verhältnismäßig ebenes Bildfeld zu bekommen, und ist als symmetrisches Element ausgeführt. Auch bei diesem Beispiel
sind wiederum keine Korrekturen höherer Ordnung bei den asphärischen Flächen vorgesehen. In der nachstehenden Tabelle
sind die Koeffizienten für die vier asphärischen Flächen aufgeführt:
Tabelle II | 1 1,49168 57,4 | R =asphärisch | Fläche 4 | • |
Fläche 1 Fläche 2 Fläche 3 | R3=asphärisch | 0,23303578 | Dicke oder Abstand mm |
|
C 0,15671005 -0,07073345 -0,03252031 | -1*0 | S1=I,800 | ||
K -0,81198436 -20,27948769 -1,0 | ||||
Beispiel III | T.^4,553 | |||
Element N V Radius mm |
S2=I,204 | |||
Rj^äsphärisch |
2 1,59028
30,9
3 1,73400
51,0
R-=asphärisch
R5=IO,134
R =-10,134
=O,900
,190
T3=2#96O
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Beispiel III ist dem Beispiel II ähnlich, wobei jedoch der halbe Bildwinkel auf 14,34° weiter verringert ist und eine
verbesserte Korrektur der Aberrationen bei einer relativen Öffnung von f/1,4 vorhanden ist. Die Brennweite beträgt
14,OO mm. Die Koeffizienten für die asphärischen Flächen
von Beispiel III sind in der nachfolgenden Tabelle aufgeführt«
Fläche 1
C 0,13140514
K -0,80160409
K -0,80160409
Tabelle III
Fläche 2
Fläche 2
Fläche 3 Fläche
-0,06324239 -18,01533340
-0,08182546
-1,0
-1,0
0,21013933 -1,0
Element
Radius
mm
Dicke oder Abstand mm
1,49168 57,4
1,59028 30,9
1,73400 51,0
R =asphärisch
R2=asphäris ch
= -13,094
R4=asphärisch
R5=9,5O29
= -9,5029
=I,800
^=3,517
S2=O,825
=O,900
S3=I,135
T3=2,716
609818/1007
AO - 254692?
Versuche, die relative Öffnung bei auf den Beispielen II und
III basierenden Konstruktionen noch weiter zu vergrößern/ haben gezeigt, daß die asphärische Brechkraft an der Oberfläche
3 für die Erreichung der gewünschten optischen Güte nicht wesentlich ist. Es v/urde gefunden, daß diese asphärische
Brechkraft erfolgreich übertragen werden und die hyperboloidische Oberfläche 2 verstärkt werden kann. Außerdem wurde gefunden,
daß die Oberfläche 3 als einfache sphärische Fläche ausgebildet werden kann, ohne daß sich dadurch ein Verlust
an optischer Güte einstellt. Somit kommen drei ashärische Flächen anstatt vier zur Anwendung. Das Beispiel IV ist eine
derartige Konstruktion mit einer Brennweite von 12,01 mm bei einer relativen Öffnung von f/1,40 und einem halben Bildwinkel
von 16,61°. In übriger Hinsicht ist das Beispiel IV den
Beispielen I bis III ähnlich. Ebenso wie bei diesen sind die Elemente 1 und 2 aus Polymethylinethacrylat bzw. Polystyrol gefertigt,
und das Element 3 ist aus einem Glas mit hohem Brechungsindex gefertigt und symmetrisch ausgebildet. Die Koeffizienten
für die asphärischen Flächen von Beispiel IV sind in der nachfolgenden Tabelle aufgeführt·.
C 0,15628953 -0,06431991 0,22992535
K -0,75823196 -25,72410942 -1,0
609818/100 7
Claims (1)
- PatentansprücheΊ... Objektiv iaiteLnem vorderen positiven, bikonvexen, einem mittleren positiven, bikonkaven und einem hinteren positiven, bikonvexen Element, dadurch gekennzeichnet, daß das vordere Element (1) zwei asphärische Oberflächen und das mittlere Element (2) zumindest eine asphärische Oberfläche aufweisen.2. Objektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden ersten Elemente (1, 2) aus Kunststoff bestehen.3. Objektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das mittlere Element (2) zwei asphärische Oberflächen aufweist.4. Objektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das vordere Element (1) an seiner vorderen Oberfläche ellipsoidisch und an seiner hinteren Oberfläche hypexboloidisch ausgebildet ist und daß eine Oberfläche des mittleren Elements (2) paraboloidisch ausgebildet ist.5. Objektiv nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß das mittlere Element (2) zwei paraboloidisch ausgebildete Oberflächen auf v/eist.6. Objektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß für die Brennweite F, die Krümmungsradien Rr die Linsendicken T, die Luftabstände S, die Scheitelkrümmungen C, die Kegelkonstanten K, die Brechungsindizes H und die Abbe'sehen Zahlen V die nachfolgend angegebenen Beziehungen eingehalten sind:609818/1.007
< F a * N1 r M - 11 ^ N2 < 15 1,46 - N3 < 1,52 1,56 < 1,62 1,70 - V2 ^ 1,76 55 < V3 ^ 59 29 < R5 <33 49 < -R6 ^53 8,5 - τι <11 8,5 2 =^11 3 < T3 f=5 0,70 < S2 ^1,00 2,5 <. S3 <3,0 0,8 - ci ^1,5 0,9 <-c2 .<1,5 0,12 < °4 ^0,16 0,06 j<.0,08 0,21 •^ ~K2 .^0,24 0,75 J<-0,85 17 ^.26 K. ' Wobei die Indizes die von vorn nach hinten gezählte Nummer der betreffenden Größe bezeichnen.7. Objektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß für die Brennv/eite F,die Krümmungsradien R, die Linsendicken T, die Luftabstände S,die Scheitelkrümmungen C und die Kegelkonstanten K die nachfolgend angegebenen Beziehungen eingehalten sind:6098 18/100711 <L F < 14 9 ^. R5 ^- 119 < R6 ^. 113 < Tl — 5 0,8 <,. T2 ^. 0,9 2 .< T3 .< 3 0,8 ^. S2 ^.1,5 0,9 .^ S3 -^.1,50,160,21 < C4 <.O,240,75^.-K1 ^ 8517. ^"K2 < 26K3 - -iK4 «-!S1 = 1,8wobei die Indizes die von vorn nach hinten gezählten Nummern der betreffenden Größe bezeichnen.- 13 -609818/10078. Objektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch die nachfolgend für eine Brennweite von 11,75 mm angegebenen Werte:ElementRadiusmmDicke, oder Abstand mm1,49168 57,41,59028 30,91,73400 51,0R =asphäris cnR =asph är i s chR_=asphäris chR.=asph arischR5=9,O058R =-9,0058 ο=I,800S =O, 814 T2=O,900 S,=O,975T3=2,8OOworin N die Brechungsindizes, V die Abbe'sehen Zahlen, R die Krümmungsradien der Flächen, T die Dicken der Elemente und S die Abstände zwischen den Elementen bezeichnen , und wobei die Krümmungsradien R , R«, R_ und R. auf asphärische Flächen hinweisen,die durch die folgende Beziehung und die folgenden Parameter definiert sind:„ 2l+lTl-(l+K)C2y2 2 ·Fläche 1C 0,15632779
K -0,84927155Fläche 2Fläche 3-0,07215136 -0,08858961 ■17,36321211 -1,00 9 8 18/1007Fläche0,23514772 -1,0worin χ die Durchbiegung einer asphärischen Fläche gegenüber einer ebenen Bezugsfläche in einem radialen Abstand y von der optischen Achse, C den Kehrwert des Radius der Scheitelkrümmung und K die Kegelkonstante darstellen.9. Objektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch die nachfolgend für eine Brennweite von 12,00 mm angegebenen Werte:Element N.Radius Dicke oder Abstandmm mm1,49168 57,41,59028 30., 91,73400 51,0R1 —asphärischR «asphärischR «asphärischR.=asphärischR5=9,4O18Rg=-9,4O18·Τχ=3,7ΟΟS =0,825T2=O,800S3=I,123T3=2,697609818/1-007worin N die Brechungsindizes, V die Abbe'sehen Zahlen, ■ .. R die Krümmungsradien der Flächen, T die Dicken der Elemente und S die Abstände zwischen den Elementen bezeichnen und wobei die Krümmungsradien R , R_, R3 und R^ auf asphärische Flächen hinweisen,die durch die folgende Beziehung und die folgenden Parameter definiert sind:cv21+ Vi-(i+K)c2y2Fläche 1 Fläche 2 Fläche 3 Fläche 4C 0,15671005 -O,O7O73345 -0,08252031 0,23303578 K -0,81198436 -20,27948769 -1,0 -1,0worin χ die Durchbiegung einer asphärischen Fläche gegenüber einer ebenen Bezugsfläche in einem radialen Abstand y von der optischen Achse, C den Kehrwert des Radius der Scheitelkrümmung und K die Kegelkonstante darstellen.- 16 -6098 18/100 7- Vf-10. Objektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch die nachfolgend für eine Brennweite von 14,00 mn angegebenen Werte:Element Νβ VRadius
mmDicke oder
mmAbstand S1=I, 800 R1=asphäri s ch Tx=4, 553 R2=asphärisch S2=I, 204 Ro=asphärisch V0' 900 1 1,491682 l,59O283 1,7340057,430,951,0R.=asphärischR5=IO,134R =-10,134
οS3=I,190T3=2,96Oworin N die Brechungsindizes, V die Abbe'sehen Zahlen, R die Krümmungsradien der Flächen, T die Dicken der Elemente und S die Abstände zwischen den Elementen bezeichnen und wobei die Krümmungsradien R , R , R und R. auf asphärische Flächen hinweisen, die durch die folgende Beziehung und die folgenden Parameter definiert sind:χ =Cy"l-(l+K)C2y2Fläche 1C 0,13140514
K -0,80160409Fläche-0,06324239 -18,01533340Fläche 3 Fläche 4-0,08182546
-1,00,21013933 . -1/0609818/100?worin x die Durchbiegung einer asphärischen Fläche gegenüber einer ebenen Bezugsfläche in einem radialen Abstand y von der optischen Achse, C den Kehrwert des Radius der Scheitelkrümmung und K die Kegelkonstante darstellen.11, Objektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnetdurch die nachfolgend für eine Brennweite von 12,01 mm angegebenen Werte:Element NRadius Dicke oder Abstand mm mm1,49168 57,41,59028 3Of91,73400 51,0R =asphärisch R2=asphärisch R3= -13,094 R =asphärisch R5=9,5O29 R6= -9,5029=I,8000^=3,517S2=O,825=O,900S3=I,135T3=2,7166098 18/1007worin N die Brechungsindxzes, . V die Abbe'sehen Zahlen, . R die Krümmungsradien der Flächen, T die Dicken der Elemente und S die Abstände zwischen den Elementen bezeichnen und wobei die Krümmungsradien R , R~ und R.auf aiphärische Flächen hinweisen,die durch die folgende Beziehung und die folgenden Parameter definiert sind:Cy2L-(l+K) C2y2Fläche 1 Fläche 2 Fläche 4C 0,15628953 -0,06431991 . . 0,22992535K -0,75823196 -25,72410942 -1,Oworin χ die Durchbiegung einer asphärischen Fläche gegenüber einer ebenen Bezugsfläche in einem radialen Abstand y von der optischen Achse, C den Kehrwert des Radius der Scheitelkrümmung und K die Kegelkonstante darstellen.60 98 1 8/1.00 7toLeerseite
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