DE3108346A1 - "afokales linsenfernrohr" - Google Patents

"afokales linsenfernrohr"

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Description

Die Erfindung geht aus von einem afokalen Linsenfernrohr mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Merkmalen.
Mit der Einführung von Höchleistungs-Infrarotbeobachtungssystemen, welche unter der Abkürzung "FLIR" (forward looking infrared systems) bekannt sind, ist ein Bedarf an afokalen Hochleistungsfernrohren entstanden, welche in solchen Systemen verwendbar sind. Es sind hierzu schon verschiedene Ausführungsformen vorgeschlagen worden, doch bedingt die aus Gründen der praktischen Handhabung geborene Forderung nach kompaktem Aufbau, insbesondere nach einer möglichst geringen Gesamtlänge des Fernrohrs zugleich die Forderung nach einer geringen Pupillenaberration. Dies war ohne erheblichen optischen und mechanischen Aufwand und Komplexität des Linsenfernrohrs nicht zu erreichen. Man hat deshalb schon katadioptrische Fernrohre entwickelt, welche den geforderten kompakten Aufbau besitzen, doch sind diese im Aufbau zugleich recht komplex und haben den weiteren Nachteil, daß im Zentrum Verdunkelung auftritt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kompaktes und im Aufbau einfaches, im infraroten Bereich arbeitendes Linsenfernrohr zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch ein Fernrohr mit den im Patentanspruch 1 angeführten Merkmalen.
Weil das erfindungsgemäße Fernrohr ein Linsenfernrohr ist, tritt im Zentrum keine Verdunkelung auf; mit nur vier Linsen ist das Fernrohr im optischen wie im mechanischen Aufbau recht einfach; weil die brechenden Oberflächen der Linsen i.w. sphärisch sind, sind die Linsen einfach herzustellen; und weil das Objektiv farbkorrigiert ist, kann das Fernrohr kompakt aufgebaut werden und über einen weiten Vergrößerungsbereich nahe der durch Beugung bestimmten Leistungsgrenze eingesetzt werden.
Die farbkorrigierende Linse des Objektivs besteht bevorzugt aus einem Chalkogenidglas wie dem von der Fa. Barr & Stroud Limited unter der Bezeichnung "Type 1 Chalkogenide Glass" vertriebenen Glas·, wohingegen die übrigen drei Linsen vorzugsweise aus Germanium bestehen (welches eine V-Zahl von 1182 und einen Brechungsindex von 4,003 aufweist); alle diese Materialien besitzen für das Spektralband im Wellenlangenbereich zwischen 3 ,um und 13.um eine brauchbare Durchlässigkeit. Die farbkorrigierende Linse kann alternativ auch aus einem der in Tabelle V aufgeführten Materialien bestehen.
Die farbkorrigierende Linse des Objektivs kann relativ zu den
• Ein Glas mit Arsen, Selen und Germanium als wesentlichen Bestandteilen.
1300B2/089?
übrigen Linsen unverschieblich angeordnet sein, kann jedoch vorzugsweise entlang der optischen Achse verschoben werden (vergl. Anspruch 3); der Vorteil dieser Anordnung liegt darin, daß dadurch der Einfluß von Schwankungen der Umgebungstemperatur kompensiert wird; ohne eine solche Kompensation würden Schwankungen der Umgebungstemperatur die Lage des reellen Bildes aischen Objektiv und Okular verschieben. Ferner erlaubt die Verschiebbarkeit der farbkorrigierenden Linse des Objektivs eine Justierung des Brennpunktes, wodurch jedoch nicht vom afokalen Charakter des Fernrohres abgegangen wird; diese Brennpunktjustierung ist angezeigt, wenn das im Innern des Fernrohres erzeugte reelle Bild von unbefriedigender Qualität sein sollte. Zweckmäßigerweise benutzt man zur Brennpunktjustierung eine farbkorrigierende Linse mit geringer Brechkraft, weil bei einer Verschiebung dieser Linse dann nur eine minimale Änderung des Vergrößerungsfaktors des Fernrohrs eintritt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand der beigefügten schematischen Zeichnung des optischen Aufbaus eines Linsenfernrohrs beschrieben.
Das dargestellte Fernrohr 10 wird durch ein Objektiv 11 und ein Okular 12 gebildet, welche auf einer gemeinsamen optischen Achse angeordnet sind. Das Fernrohr 10 ist ein afokales Linsenfernrohr,
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welches von einem im Gegenstandraum O vor dem Objektiv gelegenen Gegenstand ein im Innern des Fernrohrs gelegenes reelles Bild I erzeugt. Das Objektiv 11 besteht aus einer primären Linse D und einer sekundären Linse C, welche negative Brechkraft besitzt, also eine Zerstreuungslinse ist, und farbkorrigierend ist, wohingegen die primäre Linse D positive Brechkraft besitzt, also eine Sammellinse ist. Die Zerstreuungslinse C besitzt die beiden brechenden Oberflächen 5 und 6, die Sammellinse D besitzt die beiden brechenden Oberflächen 7 und 8.
besteht
Das Okular 12/aus den beiden Linsen A und B, beide mit positiver Brechkraft, welche die brechenden Oberflächen 1 und 2 bzw. 3 und besitzen. Die Linsen A und B bilden gemeinsam eine erste Linsenanordnung mit festem Brennpunkt und die Linsen C und D bilden gemeinsam eine zweite Linsenanordnung mit festem Brennpunkt, sodaß das Objektiv 11, welches ein durch eine im Objektraum liegende Eintrittspupille begrenztes Bündel paralleler Strahlen empfängt, daraus zwischen Objektiv 11 und Okular 12 ein umgekehrtes reelles Bild I erzeugt und die davon ausgehenden Strahlen das Okular 12 durchsetzen und als ein Bündel paralleler Strahlen, welche im Bildraum E eine Austrittspupille 0 bilden, aus dem Okular 12 austreten. Die Brechkraft der verschiedenen Linsen A,B,C D und ihre Abstände untereinander sind so gewählt, daß das Bild I zwischen den brechenden
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Oberflächen 5 und 3 liegt.
Die brechenden Oberflächen 1 bis 8 sind jeweils im wesentlichen sphärisch, d.h. sie weichen von der sphärischen Gestalt höchstens so stark ab, daß sie im fachüblichen Sprachgebrauch noch als sphärisch anzusehen sind.
Das Fernrohr 10 ist so aufgebaut, daß es im infraroten Wellenlängenbereich (d.h. zwischen 3 .um und 13,um) brauchbar ist und infolgedessen sind die Brechungsindices der Linsen relativ groß; aber um ein qotisch sehr leistungsfähiges Fernrohr 10 zu erhalten, ist die Linse C farbkorrigierend mit einer V-Zahl von 120 oder mehr, besitzt ferner einen geringeren Brechungsindex äLs die Linse D und ist eine Zerstreuungslinse.
Im Bereich zwischen 8/um und 13 ,um erreicht man dies dadurch, daß man die Linsen A, B und D aus Germanium herstellt, dessen Brechungsindex bei 4,0 liegt, während man die Linse C aus dem Chalkogenidglas der Fa. Barr & Stroud Limited mit der Bezeichnung "Type 1 Chalkogenide Glass" herstellt, welche einen Brechungsindex von 2,49 besitzt (gemessen bei einer Temperatur von 20 C und einer Wellenlänge von 10.um). In diesem Fall besitzt die Linse C eine V-Zahl (auch Abbesche Zahl genannt) von ungefähr 150. Die V-Zahl
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berechnet sich als das Verhältnis des um 1 verminderten Brechungsindexes bei 10 .um zur Differenz des Brechungsindexes bei 8,5.um und des Brechungsindexes bei 11,5,um:
η (lO.um) - 1
η (8,5,um - η (11,5 .um)
Mit diesen Materialien, welche eine reflexmindernde Beschichtung tragen können, kann man ein Fernrohr aufbauen, welches im Wellenlängenbereich zwischen 8,5 ,um und 11,5,Um 60% der einfallenden Strahlung durchläßt, sofern die erwähnte reflexmindernde Beschichtung vorgesehen ist.
Vorzugsweise läßt sich die Linse C entlang der qtischen Achse 13 verschieben, während die übrigen Linsen A, B und D unverschieblich angeordnet sind; dies ermöglicht eine Kompensation des Einflusses von Schwankungen der Umgebungstemperatur (typisch zwischen 00C und 400C) auf die Lage des im Innern des Fernrohrs 10 erzeugten reellen Bildes I. Alternativ kann das Fernrohr bei einer festen Lage des Bildes I auf entfernte Gegenstände fokussiert werden, typischerweise im Entfernungsbereich zwischen 100 m und unendlich. Außerdem besitzt das Objektiv 11 das Format eines schwachen Teleobjektivs was zu inneren Blendenzahlen von weniger als 2,0 im Luftraum zwischen den Linsen C und D und im Luftraum zwischen den Linsen B und C führt.
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Ein detailliertes Ausführungsbeispiel des Fernrohrs 10 ist in Tabelle I angegeben. Darin sind von jeder brechenden Oberfläche 1 bis 8 der Krümmungsradius und die Öffnungsweite (Durchmesser), ferner der Durchmesser der Pupille 0 , deren Lage als Nullage benutzt wird, ausgehend von der die Abstände aufeinanderfolgender brechender Oberflächen angegeben sind, aufgeführt. Ferner ist in der Tabelle I angegeben, welches Material sich jeweils im Raum zwischen zwei benachbarten brechenden Oberflächen 1 bis 8 sowie zwischen der Pupille 0 und der benachbarten brechenden Oberfläche befindet. Negativer Krümmungsradius, z.B. bei der Oberfläche 5 :
- 549,66 mm, zeigt an, dfi der Krümmungsmittelpunkt auf der rechten Seite der brechenden Oberfläche liegt; die Oberfläche 5 ist von der
- von der Pupille 0 aus gesehen - vorhergehenden Oberfläche 4 durch einen Luftraum von 207,56 mm Dicke (gemessen entlang der optischen Achse 13) und von der - von der Pupille 0 aus gesehen - nachfolgenden Oberfläche 6 durch ein Chalkogenid-Glas (Barr & Stroud Type I) von 12,50 mm Breite getrennt; die Apertur der Oberfläche beträgt 128,30 mm (Durchmesser).
Dieses Fernrohr 10 besitzt den Vergroßerungsfaktor X14 und weist die inneren Blendenzahlen von ungefähr 1,18 und 1,16 in den Lufträumen zwischen den Linsen C und D bzw. C und B auf. Das Fernrohr ist im Wellenlängenbereich zwischen 8,5,um und ll,5,um farbkorrigiert, und wegen der Verschieblichkeit der Linse C kann ohne
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nennenswerte Beeinträchtigung der Leistungsfähigkeit des Fernrohrs der Einfluß von Schwankungen der Umgebungstemperatur zwischen 0 C und 40 C kompensiert und die Brennweite auf Gegenstandsweiten zwischen 80 m und unendlich eingestellt werden. Sofern man die dadurch bedingte Verschlechterung der Leistungsfähigkeit des Fernrohres in Kauf nehmen kann, kann man im praktischen Einsatz des Fernrohrs sogar den Einfluß von Temperaturschwankungen zwischen -30 C und +70 C kompensieren und die Brennweite auf Gegenstandsweiten zwischen 5 m und unendlich einstellen. Angaben über die Bildqualität dieses Fernrohrs sind in Tabelle II angegeben.
Das Fernrohr, welches in Tabelle I im einzelnen spezifiziert ist, gehört einer Fernrohrfamilie an, deren Mitglieder unter Verwendung eines gemeinsamen Okulars 12 mit fester Brennweite konstruiert werdei können. Auf diese Weise lassen sich ausgehend von den für ein Fernrohr mit dem Vergrößerungsfaktor X14 bestimmten Daten in Tabelle I Fernrohre bauen mit Vergrößerungsfaktoren von X5,6 bis X31,5. Man wählt einen Maßstabsfaktor zwischen 0,40 und 2,25, mit dem man die Vergrößerung X14 multipliziert, um die gewünschte Vergrößerung zwischen X5,6 und X31,5 zu erhalten, und konstruiert dann das zugehörige Fernrohr, indem man die Krümmungsradien der Objektivlinsen, die Abstände der brechenden Oberflächen des
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Objektivs 11 und den Abstand der brechenden Oberfläche 5 von der Lage des reellen Bildes um denselben Faktor maßstäblich verändert. Für diese Fernrohrfamilien sind die inneren Blendenzahlen im Luftraum zwischen den Linsen C und D bzw. im Luftraum zwischen den Linsen C und B kleiner als 1,24 bzw. kleiner als 1,72.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des Fernrohrs 10 ist in Tabelle III angegeben. Es besitzt einen Vergrößerungsfaktor von X16. Angaben über die Bildqualität bei diesem Fernrohr enthält die Tabelle IV. Das Fernrohr besitzt eine Austrittspupille 0 von 11,3 mm Durchmesser und innere Blendenzahlen von 1,34 im Luftraum zwischen den Linsen C und D bzw. von 1,86 im Luftraum zwischen den Linsen C und B. Auch dieses Fernrohr gehört einer Familie an, dessen Mitglieder unter Verwendung eines gemeinsamen Okulars mit festem Brennpunkt aufgebaut werden können. Zu dieser Familie gehören Fernrohre, welche Vergroßerungsfaktoren zwischen X8,8 und X41,6 besitzen, die sich durch Multiplikation mit Maßstabsfaktoren zwischen 0,55 und 2,65 aus der in Tabelle III festgelegten Vergrößerung von X16 ergeben; die inneren Blendenzahlen dieser Fernrohrfamilie sind kleiner als 1,34 bzw. 1,86.
Die beschriebenen Fernrohre weisen über wenigstens zwei Drittel des gesamten Gesichtsfeldes eine sehr gute Qualität auf bei um
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weniger als 12% zur Anpassung an Pupillenaberration vergrößerter primärer Apertur (Durchmesser) des Objektivs. Dabei besitzt das Fernrohr eine nur geringe Gesamtlänge. Im ersten Ausführungsbeispiel beträgt die bei maximalem Gesichtsfeldwinkel gemessene Verzeichnung ungefähr 0,8 % bei einem Übermaß von ungefähr 7j, 3 % für die Apertur des Objektivs. Im zweiten Ausführungsbeispiel beträgt die bei maximalem Gesichtsfeldwinkel gemessene Verzeichnung ungefähr 1,3 % bei einem Übermaß von ungefähr 11,2 % für die Apertur des Objektivs. Es tritt ferner auf keiner der brechenden Oberflächen 1 bis 8 der Linsen A,B, C und D eine Vignettierung auf.
Die farbkorrigierende Linse C muß nicht aus dem Barr & Stroud Chalkogenidglas Type I bestehen, sondern kann auch aus einem der anderen in Tabelle V aufgelisteten Materialien hergestellt werden. Zur Erläuterung der in Tabelle V enthaltenen Materialkennzeichnungen sei noch vermerkt, daß es sich bei BSI, BS2 und BSA um Chalkogenidgläser handelt, welche von Barr & Stroud Limited vertrieben werden, daß es sich bei TI 20 und TI 1173 um Chalkogenidgläser handelt, welche von der Fa. Texas Instruments Inc. (U.S.A.) vertrieben werden, daß es sich bei AMTIR um ein Chalkogenidglas handelt, welches von der Fa. Amorphous Materials Inc. in Garland (Texas, USA) vertrieben wird, und daß es sich bei KRS 5 um einen kristallinen,
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infrarotdurchlässigen Halogenidwerkstoff handölt, welcher von der Fa. Harshaw Chemical Co. in Selon (Ohio, USA) vertrieben wird. (Chalkogene sind die Elemente der VI. Hauptgruppe des periodischen Systems). Wenn bei den beschriebenen Fernrohren hochdurchlässige und schwach reflektierende Antireflexbeschichtungen eingesetzt werden wie zum Beispiel aus dem von Barr & Stroud Limited unter der Bezeichnung ARG3 vertriebenen Material, dann können wegen der Wahl des Krümmungsradius der brechenden Oberfläche 3 diese Fernrohre mit einem FLIR-System kombiniert werden, ohne daß ein merklicher "Narzißmus-Effekt" d.h. ein unerwünschtes Erscheinen eines Abbilds des Beobachters selbst im Gesichtsfeld, auftritt.
Die in den Tabellen I-IV angegebenen Daten gelten für Fernrohre, welche bei 20 C hinsichtlich ihrer Brennweite auf große Entfernung (unendlich) eingestellt sind.
Tabelle I
Linse Oberfläche Abstand (mm) Krümmungsradius (mm) Material Apertur
mm Durchmesser)
Austritts 0 O (eben) Luft 15,50
pupille *
A 36,00 -169,06 Luft 46,31
2 5,74 - 77,22 Germanium 47,77
3 7,60 44,96 Luft 42,83
B
4 20,20 32,77 Germanium 27,37
5 207,56 -549,66 Luft 128,30
6 12,50 -1440,92 As/Se/Ge 133,76
(BSI)
7 116,20 -452,37 Luft 226,38
D
8 18,00 -303,95 Germanium 232,22
* Maximaler Gesichtsfeldwinkel an der Austrittspupille = 46,3
Tabelle II
is* Cf»
Quadratische Mittelwerte der scheinbaren Größe eines durch das Fernrohr abge (in Milliradiant) Bei chromatischem Licht mit
Wellenlängen von 8,5 bis ll,5.um*
bildeten Punktes im Gegenstandsraum bei unterschiedlicher Ausnutzung des Ge Bei monochromatischem Licht
der Wellenlänge 9,6,Um
0,041
sichtsfeldes 0,038 0,059
Gesichtsfeld 0,049 0,067
Nur achsiale
Strahlen
0,055 0,088
1/2 0,085
3/4
vollständig
• Bestimmt als Mittelwert aus gleich gewichteten Messungen bei den drei Wellenlängen 8,5,Um, 9,6 ,um und 11,5-um.
O OO CO
CD
Tabelle III
to ο
in
at
I
Linse
Oberfläche Abstand (mm) Krümmungsradius (mm) Material Apertur
(nun Durchmesser)
Austritts 0 (eben) Luft 11,30
pupille ·
A 1 23,66 -76,99 Luft 43,79
2 9,85 -51,00 Germanium 49,06
B 3 1,05 49,89 Luft 47,91
4 19,86 42,57 Germanium 33,75
5 167,03 -549,66 Luft 98,12
C
6 16,00 -2921,41 AS/Se/Ge 103,86
(BSI)
D 7 125,11 -369,82 Luft 193,92
8 19,65 -261,56 Germanium 201,40
• Maximaler Gesichtsfeldwinkel an der Austrittspupille = 72
OO I
CC»
O CO
σ>
Tabelle IV
Quadratische Mittelwerte der scheinbaren Größe eines durch das Fernrohr abge in Milliradiant) Bei chromatischem Licht mit
Wellenlängen von 8,5 bis 11,5 .um*
bildeten Punktes im Gegenstandsraum bei unterschiedlicher Ausnutzung des Ge Bei monochromatischem Licht
der Wellenlänge 9,6,um
0,058
sichtsfeldes ( 0,049 0,088
Gesichtsfeld 0,074 0,103
Nur achsiale
Strahlen
0,080 0,195
1/2 0,178
3/4
vollständig
* Bestimmt als Mittelwert aus gleich gewichteten Messungen
bei den drei Wellenlängen 8,5,um, 9,6.um und 11,5,um.
O OO CO
Tabelle V
Cr* rs»
Material V-Zah1 Brechungsindex *
BS 2 248 2,856
BSA 209 2,779
TI 1173 142 2,600
AMTIR 169 2,497
BSI 152 2,491
TI 20 144 2,492
KRS 5 260 2,370
CsJ 316 1,739
CsBr 176 1,663
KJ 137 1,620
ISJ O
* gemessen bei 10 .um und 20 C
O 00 CO

Claims (10)

Patentansprüche:
1./ Afokales Linsenfernrohr (10) bestehend aus einem achromatischen Objektiv (11) mit festem Brennpunkt und aus einem Okular (12) mit festem Brennpunkt, welche derart auf einer gemeinsamen optischen Achse (13) angeordnet sind, daß im Innern des Fernrohrs (10) ein reelles Bild (I) entsteht, dadurch gekennzeichnet, daß das Objektiv (11) aus zwei Linsen (C, D) und das Okular aus zwei Linsen (A, B) besteht, wobei jede der vier Linsen (A, B, C, D) aus einem Material besteht, welches in einem brauchbaren üpektralband innerhalb des infraroten Wellenlängenbereichs hinreichend durchlässig ist,
und daß jede der vier Linsen (A, B, C, D) im wesentlichen sphärische brechende überflächen (1 bis 8) hat, welche die
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optische Achse (13) durchsetzt,
und daß eine der Linsen (C) des Objektivs (11), und zwar jene, welche dem Okular (12) am nächsten liegt, farbkorrigierend ist und eine V-Zahl von nicht weniger als 120 sowie negative Brechkraft besitzt und einen geringeren Brechungsindex als die andere Linse (D) des Objektivs (11) aufweist, welche positive Brechkraft besitzt.
2. Fernrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese andere, positive Brechkraft besitzende Linse (D)- des
Objektivs (11) bei einer Temperatur von 20 C gemessen einen Brechungsindex von nicht weniger als 4,0 aufweist.
3. Fernrohr nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die eine negative Brechkraft besitzende Linse (C) des
Objektivs nur geringe Brechkraft besitzt und entlang der optischen Achse (13) verschiebbar angeordnet ist, wohingegen jede der anderen Linsen (A, B, D) fest angeordnet ist.
4. Fernrohr nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die eine negative Brechkraft besitzende
Linse (C) des Objektivs (11) bei einer Temperatur von 20 C und einer Wellenlänge von lO.um gemessen einen Brechungsindex von nicht
weniger als 2,45 aufweist, wohingegen die übrigen Linsen (A, B, D) bei einer Temperatur von 20 C gemessen einen Brechungsindex von nicht weniger als 4,0 besitzen.
5. Fernrohr nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere der brechenden Oberflächen (1 bis 8) der Linsen (A, B, C, D) eine reflexmindernde Beschichtung tragen.
6. Fernrohr nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet? daß die eine negative Brechkraft besitzende Linse (C) des Objektivs (11)
aus einem Chalkogenid-Glas besteht, wohingegen die übrigen Linsen (A, B, D) aus Germanium bestehen, derart, daß das Fernrohr (10) bei einer Wellenlänge von 10,um wenigstens 60% der einfallenden Strahlung durchläßt.
7. Fernrohr nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den durch die Daten in Tabelle I bestimmten Aufbau.
8. Fernrohr nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Objektiv (11) maßstäblich verändert ist, wobei der Maßstabsfaktor zwischen 0,40 und 2,25 liegt.
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_ 4 —
9. Fernrohr nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den durch die Daten in Tabelle II bestimmten Aufbau·
10. Fernrohr nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Objektiv (11) maßstäblich verändert ist, wobei der Maßstabsfaktor zwischen 0,55 und 2,65 liegt.
1300B2/Q687
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