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Die Erfindung betrifft elektromechanische Antriebssysteme
und insbesondere ein optisches Zoomobjektiv. Die Erfindung kann
unter anderem in einem Fotolaborgerät, wie zum Beispiel einem Hochgeschwindigkeitsdrucker
für fotografische
Abzüge, Anwendung
finden.
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Es gibt Kameras, die auf ein und
demselben Filmstreifen Bilder in mehr als einem Format aufnehmen
können.
So kann beispielsweise die Kodak Cameo-Kamera, wie jeweils gewünscht, Bilder
im Standardformat oder im Panoramaformat aufnehmen (ein Merkmal,
das häufig
auch als „eingestreuter
Kameraschwenk" bezeichnet
wird).
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Damit von entwickelten Filmen aus
Kameras, die Bilder in zwei oder mehr Formaten aufnehmen können, mit
Hochgeschwindigkeitsdruckern Abzüge
hergestellt werden können,
muss das Zoomobjektiv des Druckers für die Belichtung des Papiers
in der Lage sein, zwischen Vergrößerungen
für unterschiedliche
Abzugsformate umzuschalten. Um eine hohe Produktivität zu erreichen
oder aufrechtzuerhalten, muss das Objektiv eines elektromechanischen Antriebssystems
eines Zoomobjektivs ohne mechanisches Klemmen oder übermäßigen Verschleiss
der Bauteile mit hoher Geschwindigkeit und hohen Beschleunigungen
arbeiten können.
In einem mit hohem Durchsatz arbeitenden Fotolaborgerät muss ein Zoomobjektiv
mehr als 80 Millionen Betätigungen aushalten
können.
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Typische Zoomobjektive für Hochgeschwindigkeitsdrucker
werden von Nocken und Stößeln angetrieben,
die für
hohe Geschwindigkeiten und häufiges
Umschalten nicht besonders geeignet sind. Antriebe mit Nocken und
Stößeln sind
teuer und verschleißanfällig.
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Typische elektromechanische Antriebe
mit einer Führungsschraube
(Spindelan triebe) sind mechanisch zu stark eingespannt und erfordern
teure Motorkupplungen und hochgenaue Bearbeitungen und Ausrichtungen.
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Andere mechanische Lösungen leiden
unter den gleichen Mängeln
wie Antriebe mit Nocken und Stößeln. Zahnräder und
Riemen sind für
eine häufige Betätigung insofern
nicht geeignet, als sie entweder zu schnell verschleißen oder
häufig
ausgetauscht werden müssen.
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In hohem Maße wünschenswert ist die Schaffung
eines präzise
eingespannten Zoomobjektivs mit hoher Genauigkeit, das sich durch
niedrige Herstellungskosten und einfache Montage auszeichnet und
zudem so langlebig ist, dass es eine viele Millionen malige Betätigung ohne
Ausfall von Bauteilen und wartungsfrei übersteht.
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Die vorliegende Erfindung schafft
zum einen ein Zoomobjektiv mit:
zwei im Wesentlichen parallelen
Führungsstangen;
einem
ersten, auf den beiden parallelen Führungsstangen verschiebbar
gelagertem Schlitten;
einem am ersten Schlitten befestigten
Linsenelement;
einer ersten Führungsschraube, die eine Längsachse
aufweist und am Zoomobjektiv mittels eines ersten Lagerblocks derart
befestigt ist, dass die Längsachse sich
im Wesentlichen parallel zu den beiden Führungsstangen erstreckt, wobei
der Lagerblock die Bewegung der ersten Führungsschraube entlang der Längsachse
einschränkt;
einer
ersten, mit einem Gewinde versehenen Antriebskupplung, die derart
in Schraubverbindung mit der ersten Führungsschraube steht, dass
sie sich entlang der Achse der ersten Führungsschraube bewegen kann,
wobei die erste, mit einem Gewinde versehene Antriebskupplung mit
dem ersten Schlit ten derart verbunden ist, dass dieser entlang der
beiden Führungsstangen
bewegbar ist, wobei die erste, mit einem Gewinde versehene Antriebskupplung
im Wesentlichen keinerlei axiales Spiel hat;
einem ersten Motor
mit einer Antriebswelle zum Antreiben der ersten Führungsschraube,
wobei die Motorwelle mit dem ersten Lagerblock verbunden und am
Zoomobjektiv mittels eines biegbaren Elements befestigt ist;
einem
zweiten, auf den beiden ersten parallelen Führungsstangen verschiebbar
gelagerten Schlitten;
einem am zweiten Schlitten befestigten
zweiten Linsenelement;
einer zweiten Führungsschraube, die eine Längsachse
aufweist und am Zoomobjektiv mittels eines zweiten Lagerblocks derart
befestigt ist, dass die Längsachse
sich im Wesentlichen parallel zu den beiden Führungsstangen erstreckt, wobei
der Lagerblock die Bewegung der zweiten Führungsschraube entlang der
Längsachse
einschränkt;
einer
zweiten, mit einem Gewinde versehenen Antriebskupplung, die derart
in Schraubverbindung mit der zweiten Führungsschraube steht, dass
sie sich entlang der Achse der zweiten Führungsschraube bewegen kann,
wobei die zweite, mit einem Gewinde versehene Antriebskupplung mit
dem zweiten Schlitten derart verbunden ist, dass dieser entlang
der beiden Führungsstangen
bewegbar ist, wobei die zweite, mit einem Gewinde versehene Antriebskupplung im
Wesentlichen keinerlei axiales Spiel hat; und
einem zweiten
Motor mit einer Antriebswelle zum Antreiben der zweiten Führungsschraube,
wobei die Motorwelle mit dem zweiten Lagerblock verbunden und am
Zoomobjektiv mittels eines biegbaren Elements befestigt ist.
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Die Erfindung schafft zum anderen
einen Lagerblock zum Verbinden zweier axial ausgerichteter Wellen
und zum Einspannen der Wellen entlang der Achse mit:
einem
ringförmigen
Lagerblock mit einer Öffnung,
die einen ersten ringförmigen
Bohrlochabschnitt mit einem ersten Durchmesser und einen zweiten
ringförmigen
Bohrlochabschnitt mit einem zweiten Durchmesser aufweist, wobei
der erste und zweite Bohrlochabschnitt im Wesentlichen konzentrisch
zueinander sind und der zweite Durchmesser größer ist als der erste Durchmesser;
einem
ersten radialen Lager, das innerhalb des ersten ringförmigen Bohrlochabschnitts
angeordnet ist, und einem zweiten radialen Lager, das innerhalb
des zweiten ringförmigen
Bohrlochabschnitts angeordnet ist, wobei das erste und zweite radiale
Lager innerhalb der Öffnung
befestigt sind; und
einem Wellenkupplungselement mit einem
Flansch, der zwischen dem ersten und zweiten radialen Lager angeordnet
ist, und einer Feder, die zwischen dem Flansch und dem zweiten radialen
Lager derart angeordnet ist, dass sie eine Trennkraft zwischen dem ersten
und zweiten radialen Lager ausübt.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand
eines in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels
näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 einen
teilweise im Schnitt dargestellten Aufriss eines erfindungsgemäß hergestellten Zoomobjektivs;
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2 eine
teilweise im Schnitt dargestellte vergrößerte Ansicht eines der in
dem in 1 gezeigten Zoomobjektiv
verwendeten Lagerblöcke;
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3 eine
vergrößerte Ansicht
eines der Antriebsmotoren, die dessen Befestigung an dem Zoomobjektiv
verdeutlicht;
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4 eine
Prinzipskizze eines Fotodruckers, in dem das in 1 dargestellte Zoomobjektiv Anwendung
findet.
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1–3 zeigen ein erfindungsgemäß hergestelltes
Zoomobjektiv 10. Das Zoomobjektiv 10 ist für ein Fotolaborgerät, insbesondere
einen Hochgeschwindigkeitsdrucker für Fotos bestimmt, bei dem Bilder
eines Filmnegativs auf lichtempfindliches Papier gedruckt werden.
Ein Beispiel eines Hochgeschwindigkeitsdruckers, in dem ein erfindungsgemäßes Zoomobjektiv
verwendet werden könnte,
ist der von der Eastman Kodak Company vertriebene CLAS 35 Printer.
Ein solches Gerät
druckt bis zu etwa acht Bilder pro Sekunde auf lichtempfindliches
Papier. Ein erfindungsgemäß hergestellter
Drucker kann auch Filme mit Bildern unterschiedlichen Formats verarbeiten
und von diesen Bildern Abzüge
in unterschiedlichen Formaten herstellen (z. B. Panorama, Standard,
Porträt
usw.), selbst wenn sich das Abzugsformat von Bild zu Bild ändert. Ein
solches Gerät
muss daher extrem haltbar sein und trotzdem die zur Herstellung
von Abzügen
hoher Qualität
erforderliche Genauigkeit aufweisen.
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Das Zoomobjektiv 10 weist
zwei im Wesentlichen parallel zueinander beabstandete Führungsstangen 14, 15 auf.
Ein erster Linsenschlitten 16 ist mit linearen Lagern 18, 19, 20 verschiebbar
auf den Führungsstangen 14, 15 gelagert.
Der Linsenschlitten ist für
die Halterung von Linsenelementen (nicht dargestellt) zum Projizieren
eines Bildes auf ein lichtempfindliches Material ausgelegt. Die
linearen Lager 18, 19, 20 sind auf dem
Linsenschlitten 16 in Armabschnitten 22, 23, 24 angeordnet.
Die linearen Lager 18, 19, 20 ermöglichen
eine Verschiebung des Schlittens entlang der Achse der Führungsstangen 14, 15.
Zum besseren Verständnis
der folgenden Beschreibung ist in 1 unten
ein Koordinatensystem x, y, z abgebildet. Die linearen Lager 18, 19, 20 schränken die
Bewegung des Linsenschlittens 16 in fünf Richtungen ein. Sie verhindern
eine Bewegung des Schlittens 16 entlang der x- und y-Achse und eine Drehung
um die x-, y- und z-Achse. Eine Federvorspannung des Lagers 20 in
dem Armabschnitt 24 ermöglicht
eine Drehung des Lagers 20 in der Richtung θx, sodass
dieses mit der Führungsstange 15 verbunden
ist und nur eine Bewegung verhindert (nämlich eine Drehung um die z-Achse
der Führungsstange 14).
Diese Art der Einspannung berücksichtigt
erhebliche Fluchtungstoleranzen der Führungsstangen. Die einzige
verbleibende Einspannung des Linsenschlittens 16 wird durch
das Antriebssystem 26 bewirkt. Das Antriebssystems bewegt
den Linsenschlitten 16 entlang der z-Achse. Das Antriebssystem
ist mit einer Führungsschraube 28 versehen,
deren unteres Ende an einem an dem Rahmen 12 befestigten
nachgiebigen Lagerblock 30 befestigt ist. Das obere Ende
der Führungsschraube treibt
eine Antriebsmutter 32 an, derart, dass die Mutter 32 sich
entlang der Achse der Führungsschraube 28 bewegt.
Die Antriebsmutter 32 ist an einem an dem Linsenschlitten 16 befestigten
Antriebselement 34 befestigt. Wenn sich die Antriebsmutter 32 entlang der
Achse der Führungsschraube 28 bewegt,
bewegt sich der Linsenschlitten 16 infolgedessen entlang
der Führungsstange 14 und
bewegt somit den Linsenschlitten in der z-Richtung. In der in der
Zeichnung dargestellten Ausführungsform
ist die Antriebsmutter 32 mit drei Schrauben 35 an
dem Antriebselement 34 befestigt. An sich kann die Antriebsmutter 32 jedoch beliebig
an dem Antriebselement 34 befestigt werden. Die Antriebsmutter 32 weist
vorzugsweise keinerlei Spiel auf. Dies minimiert das Spiel zwischen dem
Linsenschlitten und der Führungsschraube. Eine
geeignete spielfreie Mutter wird von Kerk Motion Products, Inc.
in Hollis, New Hampshire, USA angeboten. Eine typische spielfreie
Mutter weist eine relative Nachgiebigkeit auf und ermöglicht daher
nur zwei Bewegungen der Führungsschraube 28,
nämlich
die Winkelbewegungen um die x-Achse und die y-Achse. Diese Art der Verbindung verhält sich
im Wesentlichen wie ein Kugelgelenk, das eine Schwenkbewegung der
Führungsschraube 28 in
einem kegelförmigen
Raum zulässt.
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Der in 2 dargestellte
nachgiebige Lagerblock 30 umfasst zwei radiale Lager 36, 38,
eine geteilte Wellenkupplung 40, zwei Klemmhülsen 42, 44, einen
Federring 46, eine Unterlegscheibe 48, einen Lagerblock 50 und
Befestigungselemente 52. Der Lagerblock 50 ist
mit einem entsprechenden Befestigungselement (nicht dargestellt)
an dem Rahmen 12 befestigt. Der Lagerblock 50 kann
jedoch auf beliebige Weise zum Haltern des Rahmens 12 verwendet werden.
Die radialen Lager 36, 38 weisen jeweils einen
inneren Laufring 56 und einen äußeren Laufring 58 auf,
die durch eine Vielzahl von Kugeln 60 miteinander verbunden
sind, die in im Wesentlichen halbkugelförmig ausgebildeten Abschnitten 62 im
inneren Laufring 56 und im äußeren Laufring 58 aufgenommen
werden. Die geteilte Wellenkupplung 40 weist einen zwischen
den inneren Laufringen 56 der radialen Lager 36, 38 angeordneten
ringförmigen
Flansch 64 auf. Der Federring 46 und die flache
Scheibe 48 sind nebeneinander zwischen dem Flansch 64 und einem
der inneren Laufringe 56 angeordnet. Bei der in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsform
liegen der Federring 46 und die Unterlegscheibe 48 zwischen
dem Flansch 64 und dem inneren Laufring 56 des
radialen Lagers 36. Die Feder 46 übt eine Kraft
aus, die bestrebt ist, die inneren Laufringe 56 der Lager 36, 38 voneinander
zu trennen. Der Lagerblock 50 ist mit einer Öffnung 49 versehen,
die einen ersten ringförmigen
Bohrlochabschnitt 66 mit einem Durchmesser D1 und im Anschluss
daran einen zweiten ringförmigen
Bohrlochabschnitt 68 aufweist. Der erste und der zweite
Bohrlochabschnitt verlaufen konzentrisch zueinander. Das Lager 38 ist
im Bohrlochabschnitt 66 und das Lager 36 im Bohrlochabschnitt 68 angeordnet.
Vorzugsweise ist der Durchmesser D1, wie in der Zeichnung gezeigt,
so bemessen, dass der Außendurchmesser
DO des äußeren Laufrings 58 des
Lagers 38 mit direkter Berührung oder Presspassung in
dem Bohrlochabschnitt 66 sitzt. Der Durchmesser D2 des
zweiten ringförmigen Bohrlochs 68 ist
größer als
der Durchmesser D1, sodass der Außenumfang des äußeren Laufrings 58 des
radialen Lagers 36 von dem Lagerblock 50 nicht eingespannt
wird. Die Schrauben 52 halten die Lager 36, 38 in
den Bohrlochabschnitten 66, 68. Die geteilte Wellenkupplung 40 hat
einen Wellendurchmesser D3, der kleiner ist als der Innendurchmesser
D4 der inneren Laufringe 56. Da der Außendurchmesser D0 des Laufrings 56 kleiner
ist als der Durchmesser D2 des zweiten Bohrlochabschnitts 68,
kann sich der Laufring 56 innerhalb der von dem Bohrlochabschnitt 68 gesetzten
Grenzen frei entlang der Achse z-x der geteilten Wellenkupplung 40 bewegen.
Wie bereits erwähnt, übt der Federring 46 eine
axiale Kraft aus, die bestrebt ist, die radialen Lager 36, 38 voneinander
zu trennen.
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Die geteilte Wellenkupplung 40 weist
einen oberen Abschnitt 70 und einen unteren Abschnitt 72 auf,
die jeweils mit einem inneren Bohrloch 74 bzw. 76 versehen
sind (in der Zeichnung gestrichelt dargestellt). Die inneren Bohrlöcher 74, 76 sind
zum Aufnehmen des Endes einer Welle ausgelegt. Bei der in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsform
nimmt das innere Bohrloch 74 des oberen Abschnitts 70 das untere
Ende 75 der Führungsschraube 28 auf.
Die Klemmhülse 42 ist
mit Mitteln zum Festklemmen des Endes 75 der Führungsschraube 28 in
dem inneren Bohrloch 74 versehen. In der in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsform
ist der obere Abschnitt 70 zu diesem Zweck mit einer Vielzahl
von Schlitzen 77 versehen, sodass durch entsprechendes
Festziehen einer durch die Öffnung 80 einführbaren
Schraube (nicht dargestellt) der obere Abschnitt 70 klemmend am
unteren Ende 75 der Führungsschraube 28 angreift.
Eine ähnliche
Klemmung ist am unteren Abschnitt 72 vorgesehen, wobei
gleiche Bezugsziffern gleiche Teile und Funktionen bezeichnen. Der
untere Abschnitt 72 nimmt die Antriebswelle 82 des
Schrittmotors 84 auf. Die Welle 82 überträgt die Antriebskraft
auf die nachgiebige Lagerkupplung 30.
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3 veranschaulicht
die Befestigung des Schrittmotors 84 an dem Rahmen 12 mit
einem Befestigungselement 88. Das Befestigungselement 88 stellt
eine biegbare Verbindung zwischen dem Schrittmotor 84 und
dem Rahmen 12 her. Bei der in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsform
umfasst das biegbare Element 88 einen ersten Schenkel 92,
dessen am weitesten entferntes Ende mit einer (in der x-Richtung
verlaufenden) Schraube 93 am Rahmen 12 befestigt
ist, einen zweiten biegbaren Schenkel 94 (der in der y-Richtung
verläuft)
und einen dritten (in der x-Richtung verlaufenden) Schenkel 96,
an dem der Schrittmotor 84 mit zwei Befestigungselementen 98 befestigt
ist. Natürlich
kann der Schrittmotor 84 auch mit beliebigen anderen Mitteln an
dem dritten Schenkel 96 befestigt werden. Der Lagerbock 88 weist
eine gewisse Elastizität
auf, sodass die Bewegung des Schrittmotors in fünf Richtungen eingeschränkt ist,
eine Drehung um die z-Achse aber möglich ist. Die Welle 82 des
Schrittmotors 84 kann sich um die z-Achse drehen.
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Das Zoomobjektiv 10 weist
einen zweiten Linsenschlitten 116 auf. Die Lagerung des
Linsenschlittens 116 auf den Führungsstangen 14, 15 entspricht
weitgehend der Lagerung des Linsenschlittens 16 auf den
Führungsstangen 14, 15.
Dabei wird der Linsenschlitten 116 mit Hilfe linearer Lager 118, 119, 120 gelagert
und entlang der Führungsstangen 14, 15 bewegt.
Ebenso ist der Linsenschlitten 116 mit Armabschnitten 122, 123, 124 versehen,
an denen die linearen Lager 118, 119, 120 befestigt
sind. Die Armabschnitte 122, 123, 124 des
Schlittens 116 und die Armab schnitte 22, 23, 24 des
Schlittens 16 sind so geformt, dass die Schlitten 16, 116 nicht
miteinander in Berührung
kommen. Wenn dies gewünscht wird,
können
aber auch für
jeden Linsenschlitten getrennte Führungsstangen vorgesehen werden.
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Für
den Antrieb der Antriebsmutter 132 auf der Führungsschraube 128 ist
ein Antriebssystem 126 vorgesehen. Das Antriebssystem 126 entspricht im
Wesentlichen dem Antriebssystem 26. Gleiche Bezugsziffern
bezeichnen gleiche Teile und Abläufe. Bei
dieser Ausführungsform
ist der Linsenschlitten 116 mit Linsenelementen (nicht
dargestellt) versehen, die mit Linsenelementen (nicht dargestellt)
des Linsenschlittens 116 fluchten. Die Linsenschlitten 16, 116 bewegen
sich entlang der entsprechenden Führungsstangen so, dass die
Linsenelemente in den beiden Schlitten für die jeweils erforderliche
Vergrößerung und
das jeweils erforderliche Format richtig zueinander beabstandet
sind.
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Wie aus 1 ersichtlich, sind außerdem Mittel
zum Rekalibrieren und Überprüfen der
Position eines jeden der beiden Schlitten 16, 116 bezüglich des
Rahmens 12 vorgesehen. Zu diesem Zweck sind an den Schlitten 16, 116 Messskalen 140 bzw. 142 aus
Glas befestigt. Die Skalen sind jeweils mit Markierungen für die Kennzeichnung
einer senkrechten Position bezüglich
der z-Achse versehen. Den Skalen 140, 142 sind
jeweils lineare Sensoren 134 bzw. 136 zugeordnet.
Die Sensoren 134, 136 liefern Informationen über die
relative Position des jeweiligen Schlittens 16 bzw. 116.
Diese Informationen werden zum Überprüfen und
Rekalibrieren der Schlittenposition an eine Zentraleinheit übertragen.
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4 zeigt
eine Prinzipskizze eines Fotodruckers 150 mit einem erfindungsgemäß hergestellten
Zoomobjektiv 10. Der Fotodrucker kann auf einem fotografischen
Film, beispielsweise einem 35 mm-Film, entwickelte Bilder auf lichtempfindliches Material 154 einer
vorgegebenen Breite, beispielsweise ein lichtempfindliches Fotopapier,
drucken. Dabei fördert
ein Mechanismus 156 den fotografischen Film zu einem Druckfenster 158,
wo das Bild mit dem durch das Zoomobjektiv 10 fallenden
Licht einer Lichtquelle 160 auf das Fotopapier 154 belichtet
wird. Das Zoomobjektiv ermöglich
eine optimale Ausnutzung der vorgegebenen Breite des lichtempfindlichen
Materials 154. Für
den Transport des lichtempfindlichen Papiers 154 im Takt mit
den durch den Film 152 belichteten Bildern in der branchenüblichen Weise
sind ebenfalls geeignete Mittel vorgesehen. Mit einem entsprechenden
Sensor kann vor dem Belichten des Films 152 im Fenster 158 das
Format des auf dem Film vorhandenen Bildes bestimmt werden. Je nach
Format wird daher das Zoomobjektiv 10 so eingestellt, dass
auf dem lichtempfindlichen Material 154 das entsprechende
Format belichtet wird. Der Sensor 162 bestimmt das jeweilige
Format und überträgt diese
Information an die CPU 164, die dann ihrerseits die Schrittmotoren 84 des
Zoomobjektivs 10 unabhängig
steuert. Durch Einschalten der Schrittmotoren 84 werden
die Schlitten 16, 116 für die entsprechende Vergrößerung richtig
positioniert. Lesekopfsensoren 134, 136 melden
der CPU 164 die Position der Schlitten 16, 116 entlang
der z-Achse. Wenn die Schlitten 16, 116 richtig
positioniert sind, sind keine weiteren Maßnahmen erforderlich. Wenn dagegen
die Lesekopfsensoren 134, 136 melden, dass die
Schlitten 16, 116 nicht richtig positioniert sind,
werden die Schrittmotoren 84 entsprechend eingeschaltet,
bis sich die Schlitten 16, 116 an der richtigen
Stelle befinden. Diese Information wird für künftige Bewegungen der Schlitten 16, 116 im
Computer 164 gespeichert.
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Die Erfindung schafft somit ein Zoomobjektiv, das
sich durch niedrige Herstellungskosten, einfache Montage sowie eine
genaue und schnelle Positionierung der Linse auszeichnet und zudem
so langlebig ist, dass es eine viele Millionen malige Betätigung ohne
Ausfall von Bauteilen und wartungsfrei übersteht.
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Verschiedene weitere Änderungen
und Modifikationen sind möglich,
ohne den Schutzumfang der durch die folgenden Ansprüche definierten
Erfindung zu verlassen.