DE3300226A1

DE3300226A1 - Varioobjektiv

Info

Publication number: DE3300226A1
Application number: DE19833300226
Authority: DE
Inventors: Yoshifumi Machida Tokyo Nishimoto
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1982-01-07
Filing date: 1983-01-05
Publication date: 1983-07-14
Also published as: US4564267A; JPS634164B2; JPS58118618A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Objektiv, dessen Brennweite variabel ist, insbesondere auf ein Varioobjektiv, dessen Brennweite durch Anwencjnj; des elektrooptischen Effekts chne jegliche mechanische Eewegur.g verändert v/er den kann .

Allgemein wird bei Objektiver. .n:t veränderlicher Brennweite bzw. Variccb je^tiver. bzv.. Z:c-.cc jekt..ven deren Erer.r.-v/eite dadurch -verändert, daß vc-rbestimm":e Linsen^ruppen des Linsensystems entlang seiner optischen Achse bewegt werden und der Abstand zwischen diesen Gruppen verändert wird. Bei diesen Linse η systemen ist je-ε er: ein Bewegungsmechanismus zur Bev/e/un_t·; cer Linren^ruppen erforderlich und folglich kennen die Forderuncen nach schneller Snderuna der Brennweite, KompaKtneit una verringerten Kosten nicht zufriedenstellend erfüllt wercer., so daß Linsensystem, die diese Forderungen erfüllen.gewünscht sind.

F/22

Dresdner Bank !München) Kto 3939844 Bayer Vereinabank (München) Kto 508 3Ί Postscneck !München) Kto 670-43-804

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Ancererseits ist ein Varioobjektiv in der US-Patentanmeldung 359 034 offenbart, das durch Verwendung des elektrooptischen Effekts die eben erwähnten Nachteile beseitigen sol.1 , das kompakt ist und dessen Brennweite schnell geändert werden kann. Ein Beispiel eines selchen Varioobjektivs gemäß dem Stand der Technik ist in Fig. 1 der Zeichnungen dargestellt. Fig. 1, die bereits an dieser Stelle erläutert werden soll, zeigt einen KH₂PO₄~Kristall 1 mit eine.T, linearen elektrooptischen Effekt (Pockels-Effekt;, einen ersten transparenten Elektrcdenabschnitt 2 mit einer Vielzahl von ringförmigen konzentrischen transparenten Elektroden 2. , 2„ , ,2 , ein ■Verbindungskabel 3, eine zweite plane transparente Elektrode 4, eine Pclarisaticnsplatte 5 und eine Spannungsquelle

6. Die Spannungsquelle 6 vermittelt durch das Verbindungskabel 3 jeder der ringförmigen transparenten Elektroden 2₁ , 2p, ....,2 ein Potential und legt ein elektrisches Feld abfallender Intensitätsvertellung an den Kristall 1 an, wodurch in diesem eine Brechkraftverteilung mit Linsenwirkung geschaffen wird. Die Brennweite dieser Linsenwirkung wird durch Verändern des angelegten elektrischen Feldes variiert.

Für ein Varioobjektiv gemäß dem Stand der Technik wie ir.

Fig. 1 gezeigt, ist jedoch eine Einrichtung zum Anlegen eines abfallenden elektrischen Feldes erforderlich, um eine Brechkraftverteilung mit einer · Linsenwirkung zu erreichen; dies führt zu einer komplizierten Struktur des Cbje.ktivs und erschwert dessen Herstellung mit niedrL-gen Kosten. Die so erhaltene Brechzahlverteilung wird nur ungef-ihr euren die konzentrischen ringförmigen Elektroden geschaffen unj verringerte Leistung des Objektivs wie z.B. Aberraticnsfehler sind unvermeidlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kompaktes

ft · · ·

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und schnell wirkendes Varioobjektiv zu schaffen, bei welchem die Aberraticnsfehler klein sind. Ferner soll sein Aufbau einfach und die Herstellung kostengünstig sein.
5

Diese Aufgabe wird durch das in den Patentansprüchen geKennzeichnete Varioobjektiv gelöst. Sein Aufbau besteht hierbei in einem 'Linsenverbund, der zumindest eine aus einem elektrooptischen Kristall gebildete Linse aufweist, eine Einricntung zum Anlegen eines elektrischen Feldes einheitlicher Intensitätsverteilung an die aus dem elektrooptischen Kristall gebildete Linse und eine Einrichtung zur Veränderung der Intensität des angelegten elektrischen Feldes, wodurch die Brennweite des Linsenverbunds variiert wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachstehend ausführlich erläutert.

Es zeigen:
20·

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Varioobjektivs, gemäß dem Stand der Technik, das einen elektrooptischen Kristall verwendet,

Fig. 2 eine schematische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Varioobjektivs,

Fig. 3 eine schematische Schnittansicht eines Linsenverbundes im ersten erfindungsgemäßen Ausführungs

beispiel, und

Fig. 4 eine schematische Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgerr.äßen Variocbjektivs.

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Fig. 2, die ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt, zeigt KH PO - Kristalle 11 und 12, die einen linearen elektrooptischen Eff°rvt (Pockels-Effekt) aufweisen, durchsichtige Elektrodenplatten 13, einen polarisierten Lichtstrahl 14, eine Pclarisationsplatte 15 und eine variierbare Spanr.ungsquelle 15. Der KH^PO.-Kristall besitzt, wie bekannt ist, eine Achse der Drehumkehrung (z-Achse)· und zwei Drehachsen (x-Achse und y-Achse) ; die z-Achse fällt hierbei mit der optischen Achse zusammen. Wenn ein äußeres elektrisches Feld E in der Richtung der z-Achse angelegt wird, wird das Indexellipsoid des Kristalls verändert; es wird durch folgende Gleichung beschrieben:

xi±JL· + *i + 2Y,, E xy =.1

2 n

Hierbei ist η die Hauptbrechzahl in x- und. y-Richtung, η die Hauptbrechzahl in z-Richtung und y ₆_ die elektrooptische Konstante. Wenn tfilt ζ¹= ζ _und die x- und y-Achse um 45° gedreht v/erden und se die Koordinaten iⁿ ei-ⁿ
x'/y' System überführt werden, werden die Koordinaten η ' , in welchen das Indexellipseid die x'-Achse schneidet

und die Koordinaten η ' , in welchen das Indexellipsoid die y'-Achse schneidet, gegeben durch:

π 3 , ^ _v

v O ^ OJ^-*

_n . ⁿo³ _{Ύ E} (3)

y O ί OO Z

Das in Richtung der z=z'-Achse durch'den Kristall gehende Licht.an dem das elektrische Feld in z-Richtung angelegt ist, kann nur in den Richtungen der x'- und y-Achse polari-

siert werden, wobei die Brechzahlen des in x- und y'-Richtung polarisierten Lichts au; den Gleichungen (2) und

(3) durch η ' und η ' gegeben sind. x y

Demgemäß sind die Änderungen ZIn · und <_n ' der Brech-

. χ y

zahl, die'das in Richtung der z-Achse angelegte elektrische Feld E d.em in den Richtungen der χ'-Achse bzw. y'-Achse polarisierten Licht erteilt:

3 ⁿ°

In Fig. 2 sind der Kristall 11 und der Kristall 12 so ausgerichtet, daß bei gemeinsamer z-Achse die x¹-Achse des Kristalls 11 mit der y¹-Achse des Kristalls 12 zusainmenfällt. Die Polaristionsrichtung der Pclarisaticnsplatte 15 ist so bestimmt, daß sie mit der χ'-Achse des Kristalls 11 zusammenfällt. Folglich unterliegt der durch die Kristalle hindurchgehende Lichtstrahl 14, an die ein äußeres elektrisches Feld E. angelegt ist, den folgenden Brechzahlen im Kristall 11 und im Kristall 12:

η ³
ⁿil ^{= n}o - "Τ" ^Y63^E _Z ⁽⁶⁾

η ³
ⁿ12 ^{= n}o ⁺ "Τ" W₂ ^{7)

Fig. 3 zeigt eine schernatische Schnittansicht eines Linsenverbundes, bestehend aus den Kristallen 11 und 12 des °° ersten Ausführungsbeispiels. Die Grenzfläche zwischen

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Kristall 11 und Kristall 12 ist bezüolich der z-Achse symmetrisch. Zur Vereinfachung ist angenommen, daß die Grenzfläche eine sphärische Fläche mit einem Krümmungsradius R ist und, wenn das äußere elektrische Feld E wie oben beschrieben in z-Richtung angelegt ist, die Brechzahlen der Kristalle 11 und 12 gemäß den Gleichungen (6) und (7) U₁₁ und η_χ2 sind,und die Grenzfläche eine brechende sphärische Fläche mit einer Linsenwirkung wird. Die Brennweite f dieser Linsenwirkung ist gegeben durch:

f = /Ol

und aus den Gleichungen (6) und (.7) folgt: 15

"²W

Das elektrische Feld E ist eine Funktion einer an die

beiden parallelen transparenten Elektrodenplatten 13 in Fig.'2 angelegten Spannung V und es gilt

^E _z = ^V/* (10)

Folglich wird die Brennweite f äurch Verändern der Spannung V durch die veränderbare Spannungsquelle 16 geändert.

Wie aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich ist, hat das erfindungsgemäße Linsensystem, das aus elektrooptischen Kristallen aufgebaut ist,- eine konvergente Linsenwirkung und seine Brennweite kann durch die Steuerung der Spannung V der variablen Spannungsquelle leicht und laufend geändert werden. Die Elektrodenplatten können auch beim erfindungsgemäßen Objektiv, verglichen mit her-

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kömmlichen Objektiven veränderlicher Brennweite, die den elektrooptischen Effekt verwenden, als parallele flache Platten einheitlichen Durchlässigkeitsgrades gebildet sein; dies ermöglicht einfache Herstellung und Vermeidung von BeugungseinfiJssen oder dergleichen am Elektrodenabschnitt. Ferner wird die Verteilung der Brechzahl ohne komplizierte Einrichtung für den Abfall eines elektrischen Feldes erreicht; dies führt zu einem verbesserten Objektiv/erhalten betreffs der Aberration.

Beim ersten Ausführungsbeispiel bewirkt das Objektiv Konvergenz, es ist jedoch auch ein divergentes konkaves Objektiv zu erhalten, wenn die Pclarisaticnsrichtung des polarisierten Lichtstrahls 14 in die Richtung der y'-Achse des Kristalls 11 gebracht wird. Der Grundgedanke der Erfindung schließt natürlich ein derartiges konkaves Objektiv ein.

Die Polarisationsplatte 15 ist vor dem Linsenverbund im Ausführungsbeispiel gemäi3 Fig. 2 angeordnet, aber es ist offensichtlich, daß sie sich entweder weiter vorne oder weiter zurück bezüglich des Linsenverbundes befinden kann, solange sie im Lichtvreg des in den Linsenverbund eintretenden Lichts ist. Die Polarisationsplatte 15 ist nicht immer notwendig, sondern kann weggelassen werden, wenn das aus einer Lichtquelle (nicht gezeigt) kommende und in den Linsenyerbund eintretende Lichtbündel linear polarisiert ist und die Polarisationsrichtung entweder an die x'-Achsenrichtung oder y'-Achsenrichtung der Kristalle 11 und 12 angeglichen ist.

Beim ersten Ausführungsbeispiel kann auch ein Varioobjektiv verwirklicht werden, das einen raschen Wechsel zwischen positiver und negativer Brechkraft ausführen kann, indem im optischen Weg des durch den Linsenverbund gehen-

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den Lichtbündels eine Einrichtung zur Veränderung der Polarisaticnsrichtung dieses Lichtbündels vorgesehen wird und die Polarisationsrichtung zwischen der χ'-Achsenrichtung und der y¹-Achsenrichtung des Kristalls 11 geändert wird. Diese Einrichtung zu einer derartigen Änderung der' Polarisaticnsrichtung des Lichtbündels umfaßt z.B. ein Verfahren zur Drehung der Pclarisaticnsplatte 15 um 90° un die optische Achse in Fig. 2 .7:it Hilfe eines nicht gezeigten Mechanismus wie z.B. einem Motor oder dergleichen. Daneben sind verschiedene Verfahren denkbar, wie z.B. ein Verfahren, das eine Kombination aus einer Polarisaticnsplatte und einer Farady¹ sehen Rctaticr.seinrichtung verwendet, die die Polarisationsplatte mittels des Farady-Effekts dreht oder ein Verfahren, das je nach Erfordernis eine Platte mit 1/2 der Wellenlänge in den Lichtweg ein-.-setzt, usw..

Fig. 4 zeigt ein zweites Auführungsbeispiel der Erfindung. Hierbei ist die Richtung des angelegten elektrischen FeI-des senkrecht zur Lichtrichtung. In Fig. 4 haben gleiche • Teile wie in Fig. 2 gleiche Eezugszeichen und brauchen daher nicht näher beschrieben werden. KHpPO.-Kristalle 21 und 22 haten jeweils eine zur Lichtrichtung-senkrechte ζ-Achse, und die x¹-Achse des Kristall-s 21 ist se ausgerichtet, daß sie rr.it der y¹-Achse des Kristalls 22 zusammenfallt. Parallele flache Elektroden 23 müssen in'diesen Ausführungsbeispiel· nicht immer transparent sein. Die Grenzfläche zwischen Kristall 21 und Kristall 22 ist bezüglich der Lichtrichtung symmetrisch und verursacht eine konvergente Linsenwirkung bezüglich des in der Richtung der x-Achse des Kristalls 21 polarisierten Lichts 14, indem ein äußeres elektrisches Feld E in der Richtung der z-Achse angelegt wird. Die Brennweite f des Objektivs wird durch Verändern der Spannung V durch die veränderbare Spannungsquelie 16 variiert. Ein divergentes konkaves Objektiv ist durch Umkehrung der Strukturen des Kristalls

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21 und des Kristalls 22 ecenfalls erhältlich', d.h. die x¹-Achse des Kristalls 22 und die y¹-Achse des Kristalls 21 werden senkrecht zur optischen Achse ausgerichtet. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist keine transparente Elektrode im Lichtweg verhander.; dies fuhrt zu einer größeren Helligkeit des Objektivs als oeim Objektiv des ersten Ausführungsbeispiels.

Nachstehend wird ein drittes, Ausführungsbeispiel' der Erfindung beschrieben. Hierbei wird das KH₂P0.-Kristall 11 im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 durch ein anderes Kristall, das keinen elektrooptischen Effekt aufweist, durch eine amorphe Substanz wie z.B. Glas ersetzt. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird somit ein Varioobjektiv durch einen Linsenverbund aufgebaut, der eine aus dem elektrooptischen Kristall geformte Linse und eine aus einem anderen Kristall oder einer amorphen Substanz oder dergleichen geformte Linse umfaßt und ferner eine Einrichtung zum Anlegen eines elektrischen Feldes einheitlicher Intensitätsverteilung an die aus dem elektrooptischen Kristall geformte Linse und eine Einrichtung zur Veränderung der Intensität des angelegten elektrischen Feldes aufweist, wodurch die Brennweite ces Linsenverbunds variiert wird.

Bei diesem Ausführungsbeispiel kann d:e Brechzahl n₃₁ des anderen Kristalls bzw. der amorphen Substanz frei gewählt sein. Wird n„- kleiner n._ (Brechzahl des Kristalls 12 ist n-p) gesetzt., so kann eine konvexe Linse

verwirklicht werden und eine konkave Linse kann hergestellt werden, indem n„. größer η · gesetzt wird_?und. die Größe von η wird in Abhängigkeit der Gleichung (7) durch Steuerung des angelegten elektrischen Feldes E verändert und die Brennweite des Linsenverbur.des variiert. Es kann auch ein Varioobjektiv erhalten werden, bei welchem in

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Abhängigkeit der Veränderung der Intensität der elektrischen Feldstärke nicht nur die Brennweite sondern auch die positive und negative Brechkraft getauscht werden kann, indem die Größe von n^ innerhalb eines Bereichs

festgesetzt wird, dessen Werte n.,₂ in Abhängigkeit des

äußeren elektrischen Feldes E annimmt.

Wie beim ersten Ausführungsbei^piel kann bei diesem Ausführungsbeispiel ein Varioobjektiv mit einem größeren Brennweitenbereich einschließlich eines Austausches von positiver und negativer Brechkraft erhalten werden, inde'm die Einrichtung zur Veränderung der Polarisationsrichtung des. durch den im Lichtweg angeordneten Linsenverbund gehenden Lichtbündels vorgesehen wird.

Während das dritte Ausführungsbeispiel beispielhaft den Austausch des KH-PO.-Kristalls 11 des ersten Ausführungsbeispiels durch ein anderes Kristall oder eine amorphe Substanz beschreibt, kann auch ein ähnliches Varioobjektiv erhalten werden, indem der Kristall 12 oder einer der Kristalle 21 und 22 beim zweiten Ausführungsbeispiel durch einen anderen Kristall oder eine amorphe Substanz ersetzt wird. D.h. durch die vorliegende Erfindung kann ein Varioobjektiv verwirklicht werden, indem eine Konstruktion ähnlich derjenigen eines jeden Ausführungsbeispiels angenommen wird, wenn der Linsenverbuni zumindest eine Linse aus einem elektrooptischen Kristall umfaßt.

Beim zweiten und dritten Ausführungsbeispiel kann ebenso wie beim ersten Ausführungsbeispiel die Pclarisaticnsplatte entweder vor oder hinter dem Linsenverbund angeordnet sein und in manchen Fällen wegfallen.

Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde als elektrccptischer Kristall der KH₂P0₄~Kristall mit einem

linaren elektrooptischen Effekt verwendet, es können je-

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dcch auch andere lineare elektrccptische Kristalle (wie z.B. NH₄H₂P0₄-Kristalle) und ferner ein Kristall mit einem quadratischen elektrccptischen Effekt (Kerr-Effekt) wie z.E. BaTiO₃ verwendet werden, ohne den Erfindungsgedanken

κ zu verlassen.

Bei den eben beschriebenen Ausführungsbeispielen sind beide verkitteten Flächen der elektrooptischen Kristalle, die so .verkittet sind, daß sich ihre Kristallachsenrich-

IQ tungen voneinander unterscheiden, und die brechende Fläche der auf dem elektrooptischen Kristall geformten Linse sphärisch; diese Flächen können jedoch alternativ nichtsphärische Flächen aufweisen, die bezüglich der optischen Achse symmetrisch sind. Es ist auch möglich, ein eindimensionales Varioobjektiv zu konstruieren, indem die gekitteten Flachen' und die brechende Fläche als zylindrische Flächen gestaltet werden.

Ferner ist bei allen oben erwähnten Ausführungsbeispielen der Linsenverbund beispielhaft aus zwei Einzellinsen aufgebaut, von denen zumindest eine aus einem elektrooptischen Kristall gebildet ist; ein Linsenverbund kann jedoch durch Kombination verschiedener ELnzellinsen konstruiert werden, wodurch eine kürzere Brennweite erreicht wird. Die Anzahl, der in einem solchen Linsenverbund enthaltenen elektrccptischen Kristalle kann nach Wunsch gewählt werden und es ist auch möglich, den Variationsbereich der Brennweite zu vergrößern, indem eine Vielzahl von brechenden Flächen vorgesehen ist, die die Veränderung der Brennweite des Linsenverbundes aufgrund des elektrooptischen Effekts betreffen.

Wie oben beschrieben, kann die Erfindung verringerte Herstellkosten und verringerte Aberraticnsfehler verglichen mit dem herkömmlichen Varioobjektiv, das den elektrooptischen Effekt verwendet, erreichen.

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* Offenbart ist ein Objektiv mit veränderlicher Brennweite bzw. ein Varioobjektiv, dessen Brennweite durch Anlegen eines elektrischen Feldes einheitlicher Intensitätsverteilung an einen Linsenverburd, der zumindest eine aus

5 einem elektrooptischen Kristall gebildete Linse aufweist, und durch Veränderung der Intensität des angelegten elektrischen Feldes elektrisch gesteuert werden kann.

Claims

TeDTKE - BüHLING -j'KtnW': "j . X '"\ SSSε«

fs r% r* "*** Dipl.-ing. H.Tiedtke

laRUPE - HELLMANN - UrAMS Dipl.-Chem. G. Buhling

Dipl.-Ing. R. Kinne

««λλλλα ' Dipl.-Ing. R Grupe

O O U U L L O Dipl.-Ing. B. Pellmann

Dipl.-Ing. K. Grams

Bavariaring 4, Postfach 202403 8000 München 2

Tel.: 089-5396 53

Telex: 5-24845 tipat

cable Germaniapatent München

5.Januar 1983

DE-27C5

latent an sp ruch e

1. Varioobjektiv, gekennzeicr.net durch einen Lir.ser.-verounci, der mindestens eine aus einem elektrooptischen Kristall gebildete Linse (11,12,21,22) aufweist, eine Einrichtung (16) zum Anlegen eines elektrischen Feldes (E ) einheitlicher Intensitätsverteilung an die aus de:;i elektrooptischen Kristall gebildete Linse, und eine Einrichtung zur Veränderung der Intensität des angelegten elektrischen Feldes, wcaurch die Brennweite des Linsenverbundes variiert wird.

2. Varioobjektiv, gekennzeichnet durch einen Linsenverbund, der zumindest einen aus elektrooptischen Kristallen gebildeten Sati vcn Linsen (11,12,21,22; auf v/eist die an ihrer, brechenden Flächen so miteinander verbittet sind, daß die Richtungen ihrer Kristallachsen (X/Y/Z) voneinander verschieden sind, eine Einrichtung (.1·. ,13, 23/ zum Anlegen eines elektrischen Feldes (Ez) einheitlicher Intensität?verteilung an die aus der. eleKtrcoptiscr.en Kristallen gebildeten Linsen, und eine Einrichtung zjr Veränderung der Intensität des anaeleaten elektrischen Feldes, wcaurch die Brennweite des Linsenveroundes variiert wird.

F/22

Dresdner Bank (München) KIo 3939844 Bayer Vereinsbank (München) Kto. 508941 ■ PostschecK iWuncheni Κ·ο 5Γ0-43-304

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3. Varioobjektiv nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Polarisationsplatte (15) im Lichtv/eg eines durch den Linsenverbund gehenden Lichtbündels (14) angeordnet ist.

4. VariccbjeKtiv nach Anspruch 1 oder 2 oder 3, dadurch gekennzeicnnet, daß die Einrichtung (16,13,23) zum Anlegen eines elektrischen Feldes (E ) parallele flache Elektroden (13,23) umfaßt, die am Linsenverbund angebracht sind.

5. Varioobjektiv nach einem der verangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität des angelegten elektrischen Feldes (E ) durch Steuerung der Spannung (V) einer veränderlichen Spannungsquelle (16), die mit den parallelen flachen Elektroden (13,23) verbunden ist, gesteuert wird.

6. Varioobjektiv nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Lichtweg des durch Gen Linsenverbund gehenden Lichtbündels (14; eine Einrichtung (15) zur VerSnderuncr der Pclaristionsricntung des Lichtbündels vorgesehen ist.

7. Varioobjektiv nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Veränderung der Polarisationsrichtung des Lichtbündels eine Pclarisationsplatte (15) und eine Einrichtung zur Drehung dieser Platte um die optische Achse umfaßt.

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