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Die
Erfindung bezieht sich auf einfache Objektive wie sie vorwiegend
in Ferngläsern
als Fernglasobjektive, als Objektive in Zielfernrohren, als Objektive
in Beobachtungsfernrohren (Spektiven, ca. 30-fache Vergrößerung),
aber auch als einfache Objektive in Nachtsichtgeräten und
einfachen Objektiven in einfachen photographischen Kameras (Sucherkameras)
verwendet werden. Vorwiegend in Ferngläsern werden in solchen Objektiven
bzw. als solche Objektive einfache Achromate verwendet. Wegen der
kompakten Bauweise dieser Geräte
benötigen
diese Objektive eine hohe relative Öffnung mit einer Blendenzahl
von 3 oder kleiner.
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Ein
derartiges Objektiv ist beispielsweise dem Buch von Warren J. Smith „Modern
Lens Design", A
Resource Manual, Verlag McGraw-Hill, New York, 1992, S. 68 zu entnehmen.
Das Objektiv besteht ausschließlich aus
dem Achromaten, wobei die der Bildseite zugekehrte 2. Fläche der
Positivlinse und die daran anschließende (offensichtlich verkittete)
3. Fläche
der Negativlinse gleichen Radius aufweisen. Die Einzelbrennweiten betragen
für die
positive Linse 48,525 mm, die der Negativlinse ist –92,352
mm. Auffallend ist, daß bei
einem Radius der ersten Linsenfläche
von 69.28100 sich bloß ein
Aperturradius von 16.606032 ergibt, daß bei einem Radius der den
beiden Linsen gemeinsamen Fläche
von –40.903000
der Aperturradius 1,756291 beträgt
und schließlich
die letzte, der Bildseite zugekehrte Fläche einen Radius von –130.529000
bei einem Aperturradius von 17,000000 aufweist. Das bedeutet, daß die Linsen
im Verhältnis
zur Abbildungsgröße relativ
groß sein müssen und
in diesem Falle (zum Einbau) einen Durchmesser von etwa 36 mm haben
werden. Dies macht das Objektiv relativ schwer.
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Ausgehend
von einem solchen Objektiv ist es Aufgabe dieser Erfindung das Gewicht
(Glasgewicht) desselben wesentlich zu reduzieren. Eine weitere Aufgabe
kann darin liegen, das sekundäre
Spektrum zu verbessern. Vorzugsweise soll auch das nutzbare Bildfeld
vergrößert werden.
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Es
ist klar, daß eine
Gewichtsreduktion durch verschiedene bekannte Mittel erreicht werden
kann, wie Einsatz von Kunststoffen, Asphären oder diffraktiven optischen
Elementen. Diese Mittel haben jedoch jeweils für sich Eigenheiten, die nicht
immer erwünscht
und/oder kostspielig sind.
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Das
Hauptziel der Erfindung, d.h. die Gewichtsreduktion, wird nun in überraschender
Weise schon ohne die Anwendung sonst bekannter gewichtsreduzierender
Mittel (Technologien), wie der Einsatz von Kunststoffen, Asphären oder
diffraktiven optischen Elementen erreicht (welche Technologien an
sich zusätzlich
angewendet werden können),
d.h. mit den Mitteln der klassischen Optik, insbesondere unter Verwendung
von (sphärischen,
normalen) Glaslinsen, indem das Objektiv als erstes Glied einen
Frontteil relativ langer Brennweite aufweist, dem der Achromat relativ
kürzerer
Brennweite nachgereiht ist.
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Daß dadurch
eine Gewichtsreduktion erreicht wird, ist umso überraschender als ja erfindungsgemäß zusätzlich zum
Achromaten auch noch ein Frontglied verwendet wird, dem der Achromat
nachgereiht wird.
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Es
sei nicht verhehlt, daß es
in der Vergangenheit ganz wenige Ansätze (es sind nur 3 bekannt
geworden) zu einer ähnlichen
Lösung
gegeben hat: Dem Buch von R. Riekher: Fernrohre und ihre Meister,
Verlag Technik Berlin, 2. Auflage, 1990, Seite 129, entnimmt man
daß zuerst
Barlow (1829) ein System (ohne 3. Glied) mit einem Frontglied und
einem nachgereihten Korrekturglied aus einer Flüssigkeitslinse aufgebaut hat.
Wenig später
haben 1828 (Siehe Riekher, S 231) Littrow und Rogers ähnliche
Vorschläge
gemacht, die dann vom Wiener Optiker G.S. Plößl in seinem „Dialytischen" Fernrohr (ca. 1850)
verwendet wurden. Der Farbquerfehler war zu diesem Zeitpunkt (1850)
noch gar nicht bekannt. Man benützte
damals Fernrohre mit sehr viel kleinerem Feld als heute, so daß die verbleibenden
Korrekturmängel
gar nicht auffielen. 1899 veröffentlichte
L. Schupmann in seinem Buch: Die Medial-Fernrohre, B.G. Teubner,
Leipzig, Konstruktionen von astronomischen Fernrohren: Das Öffnungsverhältnis war
dabei sehr klein (höchstens
1 : 10) und auch das Bildfeld war so klein, daß Farbfehler gar nicht auffielen.
Schon wegen der sehr geringen Öffnung
und des kleinen Bildfeldes können
diese Vorläufer
nicht als vergleichbare optische Systeme gelten. Da außerdem alle
diese Systeme nicht für
handgehaltene Geräte
verwendet wurden, spielte die Gewichtsbetrachtung keinerlei Rolle.
Eine Gewichtsoptimierung war zur damaligen Zeit unbekannt.
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Demgegenüber wurde
erfindungsgemäß ein neues
optisches Prinzip zugrunde gelegt. Das eigentliche Objektiv selbst
ist nicht mehr achromatisiert, sondern besteht vorzugsweise aus
einer einzelnen Linse (L1). Die Brennweite dieser Linse L1 ist länger als
die der Positivlinse des Achromaten, vorzugsweise etwa doppelt so lang
als die Brennweite der positiven Linse des vergleichbaren Achromaten,
und wird im allgemeinen nur wenig kürzer als die benötigte Gesamtbrennweite
sein. Damit wird die Farblängskorrektur
durch ein Korrekturglied bewirkt, das etwa in der halben Distanz
zwischen der Frontlinse L1 und der Brennebene des Gesamtobjektivs
liegt. Damit aber ist sein Durchmesser nur halb so groß wie der
Durchmesser der ersten Linse L1.
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Das
Korrekturglied besteht aus wenigstens zwei Linsen, vorzugsweise
nur aus zwei Linsen (L2 und L3). Es wird damit nur den Farblängsfehler
korrigieren, während
nach diesen ersten drei Linsen ein restlicher Farbquerfehler noch
vorhanden ist.
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Dieser
restliche Farbquerfehler kann durch wenigstens eine vierte Linse
in einem dritten Glied, knapp vor der Brennebene des Gesamtobjektivs,
korrigiert werden. In dieser Brennebene des Gesamtobjektivs sind alle
Bildfehler korrigiert, nicht nur auf der optischen Achse, sondern
auch in einem Bildfeld, das wesentlich größer ist als das korrigierte
Bildfeld des vergleichbaren Achromaten. Dieser hat ein korrigiertes
Bildfeld von 2 × 1
Grad, während
das vorliegende neue System wenigstens ein Bildfeld von 2 × 3 Grad,
also das dreifache aufweist. (linear gerechnet, flächenmäßig ist
der Gewinn das Quadrat davon, also die neunfache Bild-Fläche)
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Weitere
Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung
eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispieles
im Vergleich mit dem Stand der Technik an Hand der Zeichnungen.
Es zeigen:
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1 ein besonders bevorzugtes
Ausführungsbeispiel
nach der Erfindung, zu dem die
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2 die Strahlen-Auftreff-Kurven
für die
verschiedenen Farben in der Bildebene darstellt; dazu stellt die
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3 den Stand der Technik
in einer der 1 ähnlichen
Abbildung dar, zu der wiederum die
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4 die Strahlen-Auftreff-Kurven
für die
verschiedenen Farben in der Bildebene veranschaulicht;
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5 stellt den Aufbau eines
terrestrischen Fernrohr-Objektivs nach der Erfindung dar, wozu die
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6 wiederum die Strahlen-Auftreff-Kurven
für die
verschiedenen Farben in der Bildebene veranschaulicht.
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Gemäß 1 ist ein einfaches Fernrohrobjektiv
mit einer von einer Positivlinse L1 mit der Frontfläche 1 stärkerer Krümmung als
der bildseitigen Fläche
2 dargestellt. Dieser Frontlinse L1 ist ein aus einer Positivlinse
L2a und einer Negativlinse L2b aufgebauter Achromat L2 nachgereiht.
Dabei ist die Brennweite der Frontlinse L1 relativ zu der der Positivlinse
L2a relativ lang, d.h. etwa doppelt so lang, kann aber noch länger sein und
fast das dreifache erreichen. Wie noch an Hand der später besprochenen
Daten hervorgeht, ist die Brennweite von L1 sogar beinahe bzw. wenig
kürzer
als die benötigte
Gesamtbrennweite, d.h. der Achromat L2 trägt zur Verlängerung der Gesamtbrennweite
nur wenig bei.
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Die
Farblängskorrektur
wird durch ein Korrekturglied bewirkt, das von dem Achromaten L2
gebildet ist und etwa in der halben Distanz zwischen der Linse L1
und der Brennebene B des Gesamtobjektivs liegt. Dadurch ist sein
Durchmesser nur halb so groß als
der Durchmesser der ersten Linse L1. Das Korrekturglied L2 besteht,
wie schon erwähnt,
aus wenigstens zwei Linsen L2a und L2b, kann aber auch aus mehr
als zwei Linsen gebildet sein.
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Der
Achromat L2 kann allerdings nur einen Teil der chromatischen Fehler,
nämlich
den Farblängsfehler,
korrigieren, während
nach diesen ersten drei Linsen L1, L2a und L2b ein restlicher Farbquerfehler
noch vorhanden ist. Dieser Farbquerfehler wird vorzugsweise durch
wenigstens eine vierte Linse in einem dritten Glied L3, knapp vor
der Brennebene B des Gesamtobjektivs, korrigiert. In dieser Brennebene
B des Gesamtobjektivs sind dann alle Bildfehler korrigiert, nämlich nicht
nur auf der optischen Achse, sondern auch in einem Bildfeld, das
wesentlich größer ist
als das korrigierte Bildfeld eines Achromaten nach dem Stande der
Technik, wie er an Hand der 3 gezeigt
wird. Dieser hat ein korrigiertes Bildfeld von 2 × 1 Grad,
während
das erfindungsgemäße System
wenigstens ein Bildfeld von 2 × 3
Grad, also das dreifache aufweist (linear gerechnet, denn flächenmäßig ist
der Gewinn das Quadrat davon, also die neunfache Bild-Fläche !).
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2 zeigt, daß die Farbquerfehler
in Y- und X-Richtung tatsächlich
minimiert werden können,
ja praktisch nicht mehr vorhanden sind. Dabei ist eine Kurve r für rite Wellenlängen, eine
Kurve b für
blaue Wellenlängen
und eine Kurve g für
grüne Wellenlängen dargestellt.
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Im
Vergleich dazu zeigt 3 die
aus dem eingangs genannten Buch von Warren J. Smith bekannte, scheinbar
einfache Lösung:
Hier besteht das gesamte Objektiv nur aus dem Achromaten mit Positivlinse
L1 und Negativlinse L2, womit sich zwar auch tolerierba re Farblängsfehler
ergeben, die Abweichungen durch den Farbquerfehler in Y- und X-Richtung gemäß 4 und den Kurven r, b, g
jedoch deutlich größer sind.
Daraus ist ersichtlich, daß durch
die Erfindung nicht nur eine Gewichtsersparnis erzielt wird (die
durch bekannte, eingangs genannte Technologien noch weiter erhöht werden
könnte),
sondern daß auch
eine bessere Korrektur, insbesondere was den Farbquerfehler betrifft,
erzielbar ist. In der Praxis wird ein solches bekanntes Objektiv (d.h.
nur seine Linsen) ein Gewicht von etwa 26,3 g ergeben, wogegen mit
der erfindungsgemäßen Ausbildung die
Hälfte
davon sogar noch unterschritten wird, wie sich später noch
zeigen wird.
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Beispiel 1:
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Für ein Objektiv
mit dem in 1 gezeigten
Aufbau wurden beispielshalber folgende Daten berechnet:
Relative Öffnung:
F/3
Objektivbrennweite F = 100
Sehfeld (Objektfeld) =
2 × 3
Grad
Verwendete Gläser:
Type BK7 + SFL6 der Firma Schott.
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Die
IMS (image surface). d.h. also die letzte Fläche des Systems, hat einen
Abstand zur Bildebene von 0,017649 und einen Aperturradius von 17,000000.
Alle zuvor angegebenen Zahlen sind natürlich Verhältniszahlen (dimensionslos).
Die Bildgröße ergibt
sich aus der obigen Angabe des Aperturradius.
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Hinsichtlich
dieses Aperturradius (oder freien Durchmessers) sei bemerkt, daß dieser
für das
aus den Linsen L2a und L2b bestehende Korrekturglied L2 vorteilhaft
so auszulegen ist, daß er
maximal 90% des Aperturradius (freien Durchmessers) des zweckmäßig aus
einer einzigen Linse bestehenden Frontgliedes L1 beträgt. Denn
damit läßt sich
eine besonders effiziente Gewichtsersparnis erzielen. Besonders
bevorzugt ist es, wenn dieser freie Durchmesser bzw. Aperturradius
des Korrekturgliedes 40% bis 90% desjenigen des Frontgliedes beträgt (siehe
auch Beispiel 3), obwohl ein noch geringerer Prozentsatz im Rahmen
der Erfindung liegt.
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Die
Einzelbrennweiten waren die folgenden:
FL1 =
95,699 mm
FL2a = 47,963 mm
FL2b = –27,025
mm
FL 3 = 39,866
mm
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Somit
betrug die Brennweite FL1 des Frontgliedes
L1 mit 95,699 mm rund das Doppelte der Brennweite FL2a der
Positivlinse L2a des Achromaten L2, welche 47,963 mm ausmachte.
Gegenüber
der Gesamtbrennweite von F = 100 mm ist damit die Brennweite FL1 des Frontgliedes L1 nur geringfügig kleiner
(4 bis 8 %, hier etwa 5%).
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Die
oben in der Tabelle genannten Linsen L1 und L2a waren aus einem
Glas der Type FK5 (Brechungsindex n = 1,48749, Abbé'sche Zahl ν von 70,41)
der Firma Schott und der dritten und vierten Linse L2b und L3 aus
einem Schott-Glas der Type SFL6 (Brechungsindex n = 1,80518, Abbé'sche Zahl ν von 25,39)
ergaben sich folgende Linsengewichte:
L1 = 6,4 g
L2a =
1,9 g
L2b = 1,7 g
L3 = 1,9 g
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Dies
ergibt ein Gesamtgewicht von 11,9 g oder lediglich 44,2 % des Gewichts
des vergleichbaren Achromaten nach dem Stande der Technik gemäß der nachfolgend
besprochenen 3. Schon
aus dem Vergleich der Gewichte ist ersichtlich, daß die Zurückdrängung bzw.
Nachreihung der Achromatlinsen L2a, L2b hinter eine Frontlinse L1
gegenüber
dieser eine deutliche Gewichtsverringerung für die dem Frontglied nachfolgenden
Linsen ergibt. Selbstverständlich
wäre es
im Rahmen der Erfindung möglich,
das Frontglied auch aus mehr als einer Linse aufzubauen, doch versteht
es sich, daß der
Aufbau aus nur einer einzigen Linse L1 bevorzugt ist.
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Vergleichsbeispiel:
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- Relative Öffnung:
F/3
- Objektivbrennweite F = 100
- Sehfeld (Objektfeld) = 2 × 1
Grad
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Die
Einzelbrennweiten betrugen:
FL1 = 48,525
mm und
FL2 = –92,352 mm
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Bei
Fertigung der ersten Linse L1 aus einem Schott-Glas der Type BAK2
(Brechungsindex n = 1,53996, Abbé'sche Zahl ν = 59,71), wie es herkömmlich gefertigt
würde,
und der zweiten Linse L2 aus einem Schott-Glas der Type SF2 (Brechungsindex
n = 1,64769, Abbé'sche Zahl ν = 33,85)
ergeben sich die folgenden Gewichte:
L1 = 10,9 g
L2 =
15,4 g
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Das
Gesamtgewicht der Linsen ist daher mit 26,3 g mehr als doppelt so
groß als
im oben genannten Beispiel nach der Erfindung bzw. das erfindungsgemäße Linsengewicht
liegt bei 44,2% des Gewichts eines herkömmlichen Objektivs.
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Beispiel 2:
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Es
wurde im wesentlichen derselbe Aufbau wie in Beispiel 1 verwendet,
doch bestanden die L1 und L2a aus einem Glas der Type BK 7 mit einem
Brechungsindex n von 1,51680 und einer Abbé'schen Zahl ν von 64,17, also mit deutlich
unterschiedlichen Werten gegenüber
dem Glas FK5 nach Beispiel 1. Dennoch ergaben sich in der Qualität kaum Unterschiede,
was die Unempfindlichkeit des erfindungsgemäßen Systems gegenüber Toleranzen
veranschaulichen mag. Auch hier ergab sich ein deutlicher Gewichtsunterschied
gegenüber dem
obigen Vergleichsbeispiel.
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Beispiel 3:
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An
Hand dieses Beispiels soll die Anwendung der vorliegenden Erfindung
auf ein Objektiv für
ein terrestrisches Beobachtungsfernrohr (Spektiv, Teleskop) veranschaulicht
werden. Für
den mobilen Einsatz werden solche Fernrohre häufig mit Objektivdurchmessern
bis 65 mm ausgestattet und haben ein Sehfeld von 40 m auf eine Distanz
von 1000 m, was einem Eintrittswinkel zur optischen Achse von 1,146
Grad entspricht. Das im Folgenden angeführte Beispiel hat eine Brennweite
von 364 mm und damit bei einem Eintrittspupillen-Durchmesser von
65 mm eine sehr hohe relative Öffnung
von 1 : 5,6. Vergleichsweise haben auf dem Markt befindliche Fernrohre
dieser Art oft nur ein Öffnungsverhältnis von
1 : 7,1. Für
ein solches Objektiv mit dem in
5 gezeigten
Aufbau wurden beispielshalber folgende Daten berechnet:
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Die
IMS (image surface). d.h. also die letzte Fläche des Systems, hat einen
Aperturradius von 7,300000.
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Die
Einzelbrennweiten waren die folgenden:
FL1 =
232,548 mm
FL2a = –57,367 mm
FL2b =
77,762 mm
FL 3 =
129,739 mm
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Damit
betrug die Brennweite der Positivlinse L2b des Achromaten L2 etwas
weniger als ein Drittel der Brennweite der Frontlinse L1. Dabei
ist in 5 eine Fokussiereinrichtung
a angedeutet, die – anders
als in vielen herkömmlichen
Objektiven dieser Art – auf
die hintere Linse L3 wirkt. Dies ist auch beim Ausführungsbeispiel
nach 1 möglich.
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Die
Brechungsindizes n und die Abbé'schen Zahlen ν der laut
obiger Tabelle verwendeten Schott-Gläser waren die folgenden:
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Wie
die Buchstabenfolgen bereits andeuten, werden hier Kalziumfluorid-haltige
Gläser
verwendet, mit denen sich eine besonders gute Abbildungsqualität erzielen
läßt. Der
verkittete Achromat (gemeinsame Fläche 4) ist hier also von einer
negativen, vorderen Linse L2a und einer bildseitigen positiven Linse
L2b zusammengesetzt. Die Glieder P1, P2 werden von den in 5 gezeigten Prismen gebildet,
könnten
aber auch planparallele Platten sein. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
handelt es sich um die für
Fernrohre häufige
Ausbildung als Schmidt-Pechan-Prisma, doch können auch andere Prismenformen
eingesetzt werden.
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6 veranschaulicht die geringe
chromatische Aberration in Querrichtung (in X- und Y-Richtung) an Hand
der Kurven r, g und b. Es ist allerdings zu bemerken, daß im Falle
der 6 der Maßstab, im
Vergleich zu 2 um den
Faktor 5 gedehnt ist, weil man andern falls den Farbquerfehler gar
nicht mehr hätte
darstellen können.
Das bedeutet, daß mit
diesem Ausführungsbeispiel
die Abbildungsqualität
erheblich gesteigert wurde.
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Im
Rahmen der Erfindung sind zahlreiche Modifikationen möglich, denn
schon der Vergleich der Beispiele 1 und 3 veranschaulicht, daß das Grundprinzip
nach der Erfindung, nämlich
das Korrekturglied (Achromat L2) in einem, insbesondere deutlichen,
Abstand von der (vorzugsweise aus einer Einzellinse bestehenden)
Frontlinse L1 anzuordnen, extrem unterschiedliche Ausführungen
zuläßt. Beispielsweise
wäre es
auch denkbar, für
bestimmte Anwendungen eine Veränderung
des Verhältnisses
der Brennweite der Linse L1 gegenüber der der Positivlinse des
Achromaten L2 vorzunehmen. Ferner könnte auch der Achromat L2 aus
mehr als zwei Linsen aufgebaut werden, und ebenso das dritte Glied
L3, doch wird dies im allgemeinen nicht erforderlich sein.
