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Die
Erfindung betrifft ein Zoomobjektiv, welches in einer Richtung der
Lichtausbreitung eine Frontlinsengruppe, welche eine positive Brechkraft aufweist,
eine Variatorlinsengruppe, die eine negative Brechkraft aufweist,
eine Kompensatorlinsengruppe, welche eine positive Brechkraft aufweist,
und eine Grundlinsengruppe, welche eine positive Brechkraft aufweist.
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Aus
dem allgemeinen Stand der Technik sind zahlreiche Zoomobjektive
bereits bekannt. Je nach Anforderung müssen die Zoomobjektive bestimmte optische
und/oder mechanische Eigenschaften erfüllen.
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Zoomobjektive
für die
Fotografie besitzen typischer Weise einen Zoomfaktor von 2 bis 4.
Die Austrittspupillenlage ist hier nicht telezentrisch gestaltet. Bei
diesen Zoomobjektiven soll die Baulänge möglichst kurz gehalten werden.
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Weiterhin
sind Zoomobjektive für
Videoaufnahmen, beispielsweise Camcorder, aus dem allgemeinen Stand
der Technik bekannt. Die dabei verwendeten CCD-Detektoren besitzen
einen Bilddurchmesser von höchstens
11 mm. Der Zoomfaktor ist hier meistens mit 10 angegeben, wobei
der Brennweitenbereich bei bekannten Fabrikaten von 3 mm bis 50
mm reicht.
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Bei
Zoomobjektiven für
Fernsehaufzeichnungen liegt der Zoomfaktor für derartige Objektive bei etwa
20 bis 30. Die hierbei verwendeten CCD-Detektoren besitzen einen
Bilddurchmesser von typischer Weise 11 mm. Die Fokussierung erfolgt
hier in der Regel durch die Frontgruppe. Um ein Farbenteilerprisma
zwischen einer letzten Linse und einem Detektor einbauen zu können, müssen diese
Objektive eine lange Schnittweite zwischen der letzten Linse und
einem Detektor besitzen.
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Afokale
Zoomobjektive werden häufig
in der Geräteoptik
als Teilkomponente eingesetzt. Bei derartigen Systemen kann die
Blendenlage beim Zoomvorgang verändert
werden.
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Keines
der aufgeführten
Zoomobjektive entspricht für
sich allein den gewünschten
Eigenschaften eines Zoomobjektivs für die militärische Aufklärung. Es
ist auch nicht möglich,
durch wenige und einfache Umrechnungen mittels bekannter Optikrechenprogrammen
bei den genannten Zoomobjektiven andere Eigenschaften zu erzeugen.
Des weiteren sind die Mehrzahl der afokalen Zoomobjektive im Durchmesser
zu klein, um in Kombination mit einem Objektiv geeigneter Brennweite über einen
Brennweitenbereich bis ca. 280 mm eine konstante Öffnungszahl
zu erreichen.
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Daher
ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Zoomobjektiv zu schaffen,
welches die Anforderungen unter Bezug auf die optischen Eigenschaften
und die Fokussiereigenschaften erfüllt, wobei ein möglichst
klein gehaltene Bauraum erreicht werden, und das Zoomobjektiv in
einem Temperaturbereich von –35°C bis +75°C funktionsfähig sein
soll.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass die Grundlinsengruppe eine erste Grundlinsengruppe und eine
zweite Grundlinsengruppe aufweist, wobei die Frontlinsengruppe,
die Variatorlinsengruppe, die Kompensatorlinsengruppe und die erste
Basislinsengruppe entlang einer gemeinsamen, geraden, ersten optischen
Achse angeordnet sind, wobei die zweite Grundlinsengruppe entlang
einer zweiten optischen Achse angeordnet ist, welche relativ zu
der ersten optischen Achse um einen ersten Winkel α geneigt
ist, welcher von 0 und 180° unterschiedlich
ist, und wobei ein Strahlumlenkelement zwischen der ersten Grundlinsengruppe
und der zweiten Grundlinsengruppe angeordnet ist.
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Das
Zoomobjektiv besteht aus einer Frontlinsengruppe, einer Variatorlinsengruppe,
einer Kompensatorlinsengruppe und einer Grundlinsengruppe, wobei
die Grundlinsengruppe in zwei Gruppen mit jeweils positiver Brechkraft
geteilt ist. Durch die Zweiteilung des Grundobjektives entsteht
zwischen der ersten Grundlinsengruppe und der zweiten Grundlinsengruppe
ein relativ großer
Luftabstand. Die zweite Grundlinsengruppe der Grundlinsengruppe
ist in einem bestimmten Winkel α zur
ersten Grundlinsengruppe der Grundlinsengruppe angeordnet, wobei sich
somit in vorteilhafter Weise eine wenigstens annähernd L-förmige Anordnung des Zoomobjektives ergeben
kann. In dem Luftabstand zwischen der ersten Grundlinsengruppe und
der zweiten Grundlinsengruppe befindet sich in vorteilhafter Weise
ein Planspiegel zur Strahlumlenkung.
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Mit
einer derartigen Anordnung können
die speziellen Eigenschaften für
ein Zoomobjektiv zur militärischen Aufklärung realisiert
werden, wobei sich somit ein Zoomobjektiv mit hoher Abbildungsqualität, kompakten
Bauraum aufgrund des Winkels α,
großem
Zoomfaktor und großem
Spektralbereich ergibt.
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In
vorteilhafter Weise kann vorgesehen sein, dass die erste Grundlinsengruppe
und die zweiten Grundlinsengruppe entfernt entlag der ersten und zweiten
optischen Achse angeordnet sind, wobei die Entfernung mindestens
15% der Gesamtlänge
des Zoomobjektivs beträgt,
gemessen vom Scheitel der Frontlinsengruppe bis zu einer hinteren
Brennebene der Grundlinsengruppe.
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Die
Brechkräfte
der beiden Gruppen der Grundlinsengrupe sind so zu wählen, dass
ein möglichst
großer
Luftabstand zwischen den beiden Gruppen ermöglicht wird. Der Luftabstand
sollte mindestens 15% der Baulänge
des Zoomobjektivs betragen. Somit ist es möglich, dass in diesem Luftabstand
eine Strahlumlenkung eingebracht werden kann und damit ein möglichst
geringer und kompakter Bauraum geschaffen wird.
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Mit
einem Konstruktionsprinzip gemäß der Erfindung
ist es möglich,
Zoomobjektive für
militärische
Aufklärung
zu entwerfen, welche spezielle optische Eigenschaften aufweisen,
wie zum Beispiel einen Zoomfaktor von 8, eine variierbare Brennweite von
34 mm bis 272 mm, eine Öffnungszahl
von mindestens 3.2 und, in einem Wellenbereich von 450 nm bis 750
nm, eine herausragend optische Abbildungsqualität. Des weiteren sollten für solche
Zoomobjektive spezielle mechanische Eigenschaften geschaffen werden,
wie die Integration eines kompakten Bauraums. Eine wichtige Rolle
spielen des weiteren die Umgebungsbedingungen. Zoomobjektive für die militäri sche Aufklärung müssen sicherstellen,
dass sie eine einem breiten Temperaturbereich zwischen starker Kälte und
extremer Hitze funktionieren können.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den weiteren
Unteransprüchen
und dem nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig beschriebenen
Ausführungsbeispiel, wobei
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1 eine
prinzipmäßige Darstellung
eines Zoomobjektives für
die militärische
Aufklärung
(Linsenschnitt) zeigt; und
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2a bis 2c Linsenschnitt
eines Zoomobjektivs bei drei Brennweitenstellungen zeigt, wobei
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2a entspricht
f = 34 mm;
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2b entspricht
f = 122 mm und
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2c entspricht
f = 272 mm.
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1 zeigt
eine prinzipmäßige Darstellung eines
erfindungsgemäßen Zoomobjektives
ZO im Linsenschnitt für
die militärische
Aufklärung.
Das Zoomobjektiv ZO besteht aus einer Frontlinsengruppe G1 mit positiver
Brechkraft, einer Variatorlinsengruppe G2 mit negativer Brechkraft,
einer Kompensatorlinsengruppe G3 mit positiver Brechkraft, einer Grundlinsengruppe
G4 mit positiver Brechkraft und einem optischen Spektralfilter 20.
Die Frontlinsengruppe G1 ist aus einer Negativlinse 1 und
zwei Positivlinsen 2 und 3 aufgebaut. Die Negativlinse 1 und die
Positivlinse 2 sind ein aufgespaltenes Kitt-Glied. Aufgrund
des großen
Unterschiedes im Koeffizient der thermischen Längenausdehnung α der beiden Linsen 1 und 2 ist
dies vorteilhaft. Die positiven Linsen 2 und 3 sind
aus Fluorkron (FK) oder einem vergleichbaren Material bezüglich anormaler
Teildispersion hergestellt.
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Die
Variatorlinsengruppe G2 besteht aus zwei Kitt-Gliedern, wobei jedes Kitt-Glied eine
negative Brechkraft aufweist. Die positiven Linsen 4 und 7 der
beiden Kitt-Glieder sind aus hochbrechenden Schwerflint (SF)-Gläsern mit
Langkroncharakter hergestellt. Eine Glasart besitzt Langkroncharakter, wenn
für die
Abweichung der relativen Teildispersion ΔPg,F von
der Normalgeraden gilt: ΔPg,F > 0.
Die negativen Linsen 5 und 6 besitzen Kurzflintcharakter, wie
das z. B. Lanthan-Schwerflint
(LaSF) ist. Somit besitzt eine Glasart Kurzflintcharakter, wenn
für ΔPg,F gilt: ΔPg,F < 0.
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Die
Kompensatorlinsengruppe G3 ist vorzugsweise als Kitt-Glied einer
positiven Linse 8 und einer negativen Linse 9 ausgeführt.
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Die
Grundlinsengruppe G4 ist in zwei Gruppen aufgeteilt, wobei eine
erste Grundlinsengruppe G4.1 entlang einer ersten optischen Achse 23 und eine
zweite Grundlinsengruppe G4.2 entlang einer zweiten optischen Achse 23' angeordnet
ist. Die zweite optische Achse 23' ist gegenüber der ersten optischen Achse 23 mit
einem ersten Winkel α geneigt,
der von 0 und 180° unterschiedlich
ist. In dem Zoomobjektiv gemäß dem Ausführungsbeispiel
ist α =
75°. Zwischen
der ersten Grundlinsengruppe G4.1 und der zweiten Grundlinsengruppe
G4.2 ist ein relativ großer
Luftspalt zum Einbringen eines Strahlumlenkelements 18 zur
Strahlumlenkung vorgesehen. Das Strahlumlenkelement 18 ist
ein Planspiegel mit einer Spiegeloberfläche, welche eine Normale zu
der Spiegeloberfläche 18' aufweist, wobei
die Nor male zu der Spiegeloberfläche 18' zu der ersten
optischen Achse 23 um einen zweiten Winkel geneigt ist,
welcher die Hälfte
des ersten Winkels α ist.
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Der
Abstand zwischen der ersten Grundlinsengruppe G4.1 und der zweiten
Grundlinsengruppe G4.2 sollte mindestens 15% der Gesamtlänge des Zoomobjektivs
ZO, gemessen von einem Scheitel der Frontlinsengruppe G1 zu der
hinteren Brennebene der Grundlinsengruppe G4, betragen. Der Strahl wird
in diesem Ausführungsbeispiel
um 105° umgelenkt.
Das Ergebnis ist eine L-förmige
Struktur des Zoomobjektivs ZO. Die zwei Schenkel des L-förmigen Bauraums bilden somit
einen spitzen Winkel α von
75°. Die
Strahlumlenkung kann selbstverständlich
auch durch ein Umlenkprisma anstatt des Planspiegels 18 erfolgen.
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Zwischen
der Kompensatorlinsengruppe G3 und der ersten Grundlinsengruppe
G4.1 befindet sich in Richtung der Lichtausbreitung eine Irisblende 19. Die
Irisblende 19 wird durch die Grundlinsengruppe G4 so abgebildet,
dass ihr Bild nahezu im Unendlichen (∞) erscheint. Aufgrund von
Pupillenaberrationen kann nicht für alle Schwerestrahlen 22,
welche in den 2a bis 2c dargestellt
sind, bildseitig ein telezentrischer Strahlenverlauf erzeugt werden.
Als Schwerestrahl 22 wird der Strahl bezeichnet, der mittig
zwischen einem oberen und einem unteren Komastrahl verläuft. Die
Position der Irisblende 19 sollte so gelegt werden, dass
eine Abweichung von der Telezentrie so gering wie möglich ist.
Die Abweichung von der Telezentrie sollte maximal 1,7° betragen.
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Bei
der Brennweitenvariation wird die Lage und Größe der Irisblende 19 nicht
verändert.
Dies bedeutet, dass der Abstand zwischen der Blende zu der ersten
Grundlinsengruppe G4.1 während
des Zoomvorgangs fixiert ist.
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In
den 2a bis 2c sind
Linsenschnitte bei drei Brennweitenstellungen dargestellt.
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In 2a beträgt die Brennweite
f = 34 mm. Die erste Grundlinsengruppe G4.1 der Grundlinsengruppe
G4 besitzt eine positive Brechkraft und besteht aus einer Einzellinse 10 mit
positiver Brechkraft und einem Kitt-Glied, welches aus den Linsen 11 und 12 zusammengefügt ist,
mit positiver Brechkraft. Die Einzellinse 10 ist aus Fluorkron
(N-FK51) hergestellt. Die positive Linse 12 im Kitt-Glied
ist aus Phosphat-Schwerkron (N-PSK53) und die negative Linse 11 aus
Lanthan-Flint (N-LAF2). Die Bezeichnungen der Glasarten entspricht
dem Schott-Glaskatalog. Die Linsen 10, 11 und 12 können selbstverständlich auch
aus anderen Glasarten mit vergleichbaren Eigenschaften hergestellt
sein. Wichtig zu beachten ist dabei die anormale Teildispersion.
Werden Gläser von
anderen Herstellern, beispielsweise OHARA, eingesetzt, so ist darauf
zu achten, dass die Brechzahl nd, die Dispersion νd und
die anormale Teildispersion ΔPg,F um höchstens
10% abweichen.
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Die
zweite Grundlinsengruppe G4.2 der Grundlinsengruppe G4 besitzt insgesamt
eine positive Brechkraft und dient vorzugsweise als Fokusgruppe.
Der zweite Teil G4.2 kann entlang einer optischen Achse 23 bewegt
werden, um so die Bildlage zu halten, die sich bei Temperatur- und
Luftdruckänderung verschiebt.
Da die Brechzahlen, die Dicken und die Radien der einzelnen Linsen temperaturabhängig sind,
kommt es zu einer Verschiebung der Bildlage bei Temperatur- und
Luftdruckänderung.
Bei großen Temperaturen,
beispielsweise bei ca. +60°C,
liegt somit die Bildlage nicht mehr auf einer Detektorebene 21,
sondern dahinter. Bei geringen Temperaturen von ca. –20°C befindet
sich die Bildebene ebenfalls nicht auf der Detektorebene 21,
sondern zwischen dem Filter 20 und der Detektorebene 21.
Ebenso kann mit der Fokusgruppe G4.2 auf nah entfernte Objekte scharf
gestellt werden. Somit ist eine Innenfokussierung realisiert, mit
der Temperatur- und Luftdruckänderungen
ausgeglichen werden können
und ebenso auf nah entfernte Objekte eingestellt werden kann. Die
Brennweitenvariation und die Innenfokussierung sind von einander
unabhängig.
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Die
Fokusgruppe G4.2 besteht aus einer meniskenförmigen Linse 13, einer
positiven Linse 14, welche aus Fluorkron (FK) hergestellt
ist, einem Kitt-Glied aus den beiden Linsen 15 und 16 und
einer negativen Linse 17. Die Glasart der meniskenförmigen Linse 13 besitzt
Langkroncharakter. Die Glasart der negativen Linse 17 besitzt
Kurzflintcharakter.
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Der
optische Filter 20 ist ein Absorptionsfilter, bestehend
aus einem Farbglas mit aufgedampftem Kantenfilter. Das Farbglas
ist vorzugsweise ein Gelbglas. Dieses Langpassfilterglas zeichnet
sich dadurch aus, dass es im kurzwelligen Spektralbereich niedrige
Transmission und im langwelligen Spektralbereich hohe Transmission
aufweist. Hier kann natürlich
bezüglich
des eingesetzten Farbglases gewählt werden,
welcher Spektralbereich durchgelassen und welcher gesperrt werden
soll. Das Gelbglas schwächt
dementsprechend das blaue und violette Licht. Somit begrenzt das
Farbglas den Spektralbereich nach Ultraviolett (UV). Prinzipiell
können
auch andere Farbgläser
verwendet werden. Geringe Unterschiede in der Brechzahl der Farbgläser können mit
der zweiten Grundlinsengruppe G4.2 ohne Verlust an Abbildungsqualität kompensiert
werden. Das aufgedampfte Kantenfilter begrenzt den Spektralbereich
nach Infrarot (IR). Das hier erfindungsgemäße Zoomobjektiv ist für den Spektralbereich
von 450 nm bis 750 nm ausgelegt. Innerhalb dieses Bereiches kann
durch Farbglasauswahl und Kantenverschiebung ein kleinerer Spektralbereich
gewählt
werden. Es ist auch möglich,
den Spektralbereich auf 500 nm bis 850 nm zu verschieben. Die Änderung
der Bildlage kann mit der zweiten Grundlinsengruppe G4.2 ausgeglichen
werden.
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Für bestimmte
Anwendungen, beispielsweise für
ein Periskop in U-Booten, ist es notwendig, auf dem Detektor 21 einen
Bildversatz zu erzeugen. Der Bildversatz wird durch Kippen oder
Drehen des Filters 20 erreicht. Um den Kippwinkel möglichst
klein zu halten, sollte eine große Filterdicke vorhanden sein.
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Der
Luftraum zwischen der letzten Linse 17 der Grundlinsengruppe
G4 und dem Detektor 21 sollte hinsichtlich Fokussierbewegung
der zweiten Grundlinsengruppe G4.2, der Dicke und der Dreh- bzw.
Kippbewegung des optischen Filters 20 und des Einbauraumes
des Detektors 21 je nach spezieller Eigenschaft und Brennweite
des Zoomobjektives ZO optimiert werden.
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Die
Brechkraft und die Lage der vorderen Hauptebene der geteilten Grundlinsengruppe
G4 bilden die in geringem Abstand vor der Grundlinsengruppe G4 befindliche
Irisblende 19 nach unendlich oder nahezu nach unendlich
ab. Während
des Zoom-Vorgangs sollte die Lage der Irisblende 19 nicht
verändert
werden, da die Irisblende 19 die auf die Grundlinsengruppe
G4 auftreffenden Strahlen begrenzt. Die Irisblende 19 sollte
so in dem Gesamtobjektiv ZO eingebracht werden, dass auf dem Detektor 21 die
Voraussetzung der Telezentrie bestehen bleibt.
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An
bestimmter Stelle werden in den einzelnen Linsengruppen des Zoomobjektivs
ZO Glasarten verwendet, die Langkron- bzw. Kurzflintcharakter besitzen.
Bei Glasarten, die zusammengekittet werden sollen, sollte beachtet
werden, dass die Differenz des Koeffizienten α der thermischen Längenausdehnung von
beiden Glasarten kleiner als 2,5·10-6/K
ist, da das Zoomobjektiv ZO in einem relativ großen Temperaturbereich genutzt
wird. Ist die Differenz der thermischen Längenausdehnungskoeffizienten
beider Glasarten größer als
2,5·10-6/K kann keine dauerhafte Kittung bei den
Glasarten erfolgen.
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Bei
kurzen Brennweiten des Zoomobjektivs ZO liegt der Schwerpunkt auf
der Korrektion des Farbenquerfehlers, da der bildseitige Hauptstrahl
farbenabhängig
zu den optischen Achsen 23 und 23' bei der Abbildung eines achsenfernen
Objektpunktes geneigt ist. Der Farbenquerfehler führt für jede Farbe
zu einem Abbildungsmaßstab.
Bei langen Brennweiten des Zoomobjektives ZO sollte der Schwerpunkt
auf der Korrektion des Farbenlängsfehlers
liegen, da die Brennweite des Zoomobjektives ZO von der Frequenz
des Lichtes abhängt.
Somit ist die Brennweite für
kurzwelliges, also blaues Licht kleiner als für langwelliges, rotes Licht.
Allerdings kann eine Farbkorrektion vollständig erreicht werden, wenn
Glasarten mit anormaler Teildispersion verwendet werden. Derartige
Glasarten haben entweder Langkron- oder Kurzflintcharakter.
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Die
Frontlinsengruppe G1, die Variatorlinsengruppe G2, die Kompensatorlinsengruppe
G3 und die erste Grundlinsengruppe G4.1 der Grundlinsengruppe G4
befinden sich im langen Schenkel des L-förmigen Bauraums. Die zweite
Grundlinsengruppe G4.2 der Grundlinsengruppe G4, der optische Filter 20 und
der Detektor 21 sind im kurzen Schenkel des L-förmigen Bauraumes
integriert. Der lange Schenkel besitzt eine maximale Länge von
245 mm, wobei der kurze Schenkel eine maximale Länge von 115 mm besitzt. Je
nach gewünschter
Ausführung des
Zoomobjektives ZO können
die Längen
der Schenkel verändert
werden.
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Der
verfügbare
Einbauraum für
die Linsen der Gruppen G1, G2, G3 und G4 wird weiterhin durch die
Lage und Größe des Planspiegels 18 bzw.
des Umlenkprismas und durch die Einschränkungen, die im Luftraum zwischen
der Linse 17 und dem Detektor 21 gelten, begrenzt.
Der Durchmesser der Frontlinsengruppe G1 sollte maximal 90 mm betragen,
derjenige der Variatorlinsengruppe G2, der Kompensatorlinsengruppe
G3 und der Grundlinsengruppe G4 sollte auf maximal 45 mm begrenzt
werden.
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In 2b beträgt die Brennweite
des Zoomobjektivs ZO f = 122 mm. Um diese Brennweite realisieren
zu können,
werden die Variatorlinsengruppe G2 und die Kompensatorlinsengruppe
G3 in Richtung der ersten Grundlinsengruppe G4.1 der Grundlinsengruppe
G4 entlang der ersten optischen Achse 23 verschoben. Der
Abstand zwischen der Variatorlinsengruppe G2 und der Kompensatorlinsengruppe G3
ist im Vergleich zu 2a minimal kleiner geworden.
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Die
Brennweite des Zoomobjektives ZO beträgt in 2c f =
272 mm. Die Öffnungszahl
beträgt hier
3,2. Um eine Brennweite von f = 272 mm zu erreichen, wird die Variatorlinsengruppe
G2 dicht an die Kompensatorlinsengruppe G3 entlang der optischen Achse
verschoben. Auch hier sind, wie in den 2a und 2b,
zur Darstellung des Lichtweges ein Strahlenbündel 22' und ein Schwerestrahl 22 eines weiteren
(nicht dargestellten) Strahlenbündels,
abgebildet.
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Der
erste Winkel α zwischen
dem langen Schenkel und dem kurzen Schenkel des L-förmigen Einbauraumes
beträgt
bei allen drei Figuren 75°.
In vorteilhafter Weise kann der erste Winkel α auch variabel ausgeführt sein,
wobei der erste Winkel α vorzugsweise
in einem Bereich von 50° bis
130° sein sollte.
Beispielsweise kann der erste Winkel α einen Wert von 85° besitzen,
wobei aber bedacht werden sollte, dass die Fokussiereigenschaften
noch realisiert werden können.
Wenn keine Voraussetzung zur Begrenzung des Bauraumes vorliegt,
ist es auch möglich,
dass keine Strahlumlenkung erfolgen muss. Somit ist auch kein Planspiegel 18 zur
Strahlumlenkung nötig.
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Als
Empfänger 21 wird
ein CCD-Detektor verwendet, dessen Bilddiagonale 21,45 mm beträgt.
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Es
kann durch diesen Aufbau ein Zoomobjektiv ZO realisiert werden,
das den Forderungen bezüglich
des Zoomfaktors, des Brennweitenbereichs, der Öffnungszahl, des Bilddurchmessers,
der telezentrischen Lage der Austrittspupille und der Fokussiereigenschaften
beispielsweise für
die militärische Aufklärung genügt. Des
weiteren kann durch diesen Aufbau eine sehr gute polychromatische
Korrektion des Zoomobjektives ZO erreicht werden.