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Verfahren zur serienmäßigen Prüfung von nackten Linsen Die Erfindung
bezweckt, nackte, polierte und mit Fertigungsfehlern behaftete Glaslinsen, die zum
Serienaufbau mehrlinsiger zentrierter optischer Systeme bestimmt sind, vor dem endgültigen
Zusammenbau bequemer, verbindlicher, allgemein wirtschaftlicher als nach den bisher
bekannten Verfahren daraufhin zu prüfen, ob sie im endgültig zusammengebauten System
die gewünschte Bildleistung des Gesamtsystems innerhalb der für sie zugelassenen
Toleranz gewährleisten werden.
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Nach dem bisher bekannten Verfahren vollzieht sich die Prüfung nackter,
polierter Linsen, die zum Serienaufbau von z. B. tausend aus vier Linsen L 1, L
2, L 3, L 4 zusammengesetzten Objektiven bestimmt sind (um gleich das Beispiel der
Figuren vorwegzunehmen), vor dem endgültigen Zusammenbau so, daß jede einzelne der
viertausend Linsen in getrennten Arbeitsgängen daraufhin geprüft wird, ob die für
ihre verschiedenen Fertigungsfehler zugelassenen Toleranzen eingehalten sind, für
die inneren Fertigungsfehler, wie Glasspannungen, grobe und feine Schlieren und
Brechungs- und Dispersionsabweichungen des Glases, und äußere Fertigungsfehler,
Dicke, Durchmesser und Exzentrizität des Zylinderrandes und vor allem Prüfung beider
polierter, in der Regel kugelförmiger, selten asphärischer Außenflächen der Linse
auf Krümmung und Genauigkeit, dies in der Regel mittels Aufschieben des Probeglases
und Beobachtens der Interferenzringe. Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß es
viel Zeit kostet, daß das Aufschieben des Probeglases oft zu Verletzungen der polierten
Fläche führt und daß die Toleranzen für die einzelnen Fertigungsfehler eng gehalten
sein müssen, da nicht nur ein einziger Fehler allein, sondem das Zusammenwirken
aller Fehler der Einzel linse die Bildleistung des fertig zusammengebauten Objektivs
beeinflußt.
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Erst nach dem serienmäßigen Zusammenbau der tausend Objektive wird
dann nach bekannten Methoden die Bildleistung mit der Lupe oder mit dem Mikroskop
auf photographischen Aufnahmen, die zu dem Zweck mit den einzelnen Objektiven gemacht
werden, oder auf feststehender oder rotierender Mattscheibe geprüft. Als Kriterium
dafür, ob die Bildleistung genügt oder ob das Objektiv zu verwerfen und zur Reparatur
der übertoleranten Schäden auseinanderzunehmen ist, wird ein Testobjekt mit grob
und fein abgestuften Ringen, Gittern, Buchstaben und ähnlichen monochromatischen
oder polychroma tischen Details verwendet, wie sie in der Abb. 1 a angedeutet sind.
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Nach der Erfindung wird dagegen die zu prüfende
nackte Einzellinse
vor dem endgültigen Zusammenbau in einer Wechselfassung mit einem Satz von Standardlinsen,
d. h. weitgehend fertigungsfehlerfreien Exemplaren der übrigen Linsen des Systems,
in vorschriftsmäßiger, der späteren Verwendung entsprechender Lage vorübergehend
zu einem Gesamtsystem vereinigt und bereits in diesem Zustand in einem Arbeitsgang
daraufhin geprüft, ob das Zusammenwirken einer Reihe von einzelnen Fertigungsfehlern
die Bildleistung im Endzustand des Objektivs innerhalb der Toleranz beläßt.
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Wenn das der Fall ist, läuft die Linse zum endgültigen Serienaufbau
weiter, im andern Fall wird sie zurückgehalten. Die erfindungsgemäße zusammenfassende
Prüfung der Gesamtwirkung von mehreren einzelnen Fehlern einer Linse in einem Arbeitsgang
mit Hilfe einer Wechselfassung ist gegenüber der bisher üblichen Prüfung auf die
einzelnen verschiedenartigen Fehler der Linse bequemer und weniger zeitraubend und
vermeidet auch die Gefahr der Beschädigung der Linsen bei der Probeglasprüfung der
Oberflächen. Sie ist zweitens verbindlicher, weil sie unmittelbar die Erfüllung
des Endziels der Fertigung, nämlich die genügende Einhaltung dei errechneten Bildleistung
des zusammengebauten Systems, prüft, während in die bisherige Prüfung der einzelnen
inneren und äußeren Fertigungsfehler der Linse dadurch Unsicherheiten kommen, daß
die vorgeschriebenen einzelnen Toleranzen selbst zum Teil nur unsicher einzuschätzen
sind, und drittens ist die erfindungsgemäße Prüfung auch noch dadurch wirtschaftlicher,
daß sie solche Linsenindividuen nicht ausschaltet, bei denen zwar einer der Fertigungsfehler
groß,
die übrigen aber sehr klein sind oder bei denen zwar mehrere Fehler groß sind, aber
auf die Bildleistung gegenläufig wirken, z. B. entgegengesetzt wirkende Abweichungen
von der Krümmung oder der strengen Kugelform an den beiden Flächen der Linse.
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Bei der Eignungsprüfung der einzelnen nackten Linsen für den Serienaufbau
mehrlinsiger optischer Systeme müssen wie bei jedem Verfahren so auch bei Verwendung
der erfindungsgemäßen Wechselfassung, die zugelassenenEndleistungstoleranzen, gemessen
an den Stufen der Ringe, Gitter usw. in Abb. 1 a, etwas enger als für die Endabnahmeprüfung
der fertigen mehrlinsigen Seriensysteme bemessen werden, da in den endgültig zusammengebauten
Seriensystemen nicht nur eine, sondern sämtliche, je nach der Bauart des Systems
2, 3, 4 oder noch mehr einzelne Linsen mit sämtlichen Fertigungsfehlern in höherem
oder geringerem Grade behaftet sind und zu den Fehlern der nackten Linsen weitere,
die Bildleistung verändernde Fertigungsfehler durch das Zusammenbauen kommen, nämlich
Abstandsfehler, Verbiegungen der Linsenoberflächen durch Fassungs- und Kittdruck
und Zentrierfehler. Die Verengung der Toleranzen mit Rücksicht auf das Zusammenwirken
mehrerer Einzelfehler der verschiedenen Linsen bzw. den Zusammenbau braucht nur
so weit getrieben zu werden, daß nach Wahrscheinlichkeitsüberlegungen übertolerante
Bildschädigungen innerhalb der fertigen Seriensysteme bei deren Endabnahmeprüfung
sich als so selten herausstellen, daß man das Beanstanden solcher wenigen Stücke
erst im Endzustand und ihr Auseinandernehmen zur Instandsetzung in Kauf nehmen kann.
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Zweckmäßig beschränkt man sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
auf die Bildleistung im Achsenelement der Bildebene, besonders der Brennebene des
Gesamtsystems. Zu dem Zweck verlegt man das Testobjekt in große Entfernung ungefähr
in der optischen Achse des Gesamtsystems, z. B. dadurch, daß man es in den Brennpunkt
eines mit der Wechselfassung konaxialen, genügend aberrationsfreien Kollimators
legt.
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Zur Prüfung der Bildleistung bei dem neuen Verfahren benutzt man
zweckmäßig als Testobjekt ein kreisrundes, sehr enges, mit sehr hoher Leuchtdichte,
z. B. von einer Quecksilberhöchstdrucklampe ausgeleuchtetes Loch als hellen Objektflxstern
und einen dieses Loch in geringem Winkelabstand umgebenden Kranz von üblichen Testobjekten,
Kreissystemen, Gittern, Buchstaben abgestufter Feinheit, Ausschnitte von Landschaftsaufnahmen
u. dgl.
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Im Grunde genügt die Beurteilung der Bildleistung des in der Wechselfassung
vorübergehend aufgebauten Gesamtsystems durch Beobachtung der Testfiguren des Testobjekts,
jedoch unterstützt die Beobachtung des aus Interferenzringen bestehenden Bengungsscheibchens,
in das das Linsensystem den als sehr hell ausgeleuchtetes Loch gebildeten Objektfixstern
abbildet, sehr wirksam die Sicherheit in der Beurteilung der Bildleistungsgrenze.
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Bei dem Aufbau des zu prüfenden Systems in der Wechselfassung ist
darauf zu achten, daß die eingesetzten Standardlinsen weitgehend fehlerfrei sind
und daß die Gesamtbildleistung auch nicht durch Schäden von Seiten der Fassung,
insbesondere durch Verspannung und durch Zentrierfehler, beeinträchtigt wird.
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Daher wird zweckmäßigerweise die Achse der Wechselfassung ungefähr
senkrecht gestellt, gut zen-
trierte Betten mit genau gleichen Außendurchmessern
für die einzelnen Linsen aufeinandergebaut, z. B. indem sie in einem zylindrischen
Rohr mit entsprechendem Innendurchmesser angeordnet sind, und jede Linse wird auf
eine senkrecht zur optischen Achse liegende Ringschneide innerhalb ihres Fassungsbetts
aufgelegt, so daß sie schon durch ihr Gewicht ohne besonderen Fassungsdruck festgehalten
wird, auf ihre rechnungsmäßige Lage zentriert und im richtigen Abstand zu den übrigen
Linsen des Systems angeordnet wird. Bei einem solchen Aufbau ist die oberste Linse,
wenn sich die Eignungsprüfung auf diese erstrecken soll, bequem und innerhalb weniger
Sekunden durch Herausheben aus ihrem Bett und Wiedereinlegen auszuwechseln. Soll
sich die Eignungsprüfung auf eine tiefer liegende Linse erstrecken, so kann man
das jeweilige Herausheben der darüberliegenden Standardlinsen mit ihren Betten dädurch
entbehrlich machen, daß man das Bett der zu prüfenden Linse aus dem Stapel der übrigen
Linsenbetten durch einen Ausbruch im Füllrohr herausschwenkbar oder herausschiebbar
macht, so daß man in der ausgeschwenkten Lage die zu prüfende Linse ebenso bequem
aus- und einlegen kann wie im ersten Fall die oberste Linse.
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Zu den Fertigungsfehlern der nackten zu prüfenden Linse gehören auch
Durchmesser- und Zentrierfehler. Um diese beiden Fehler bei der Prüfung weitgehend
auszuschalten, wird das Bett für die zu prüfende Linse in der Wechselfassung rundherum
erweitert und die Linse mit ihrer unteren Fläche auf einer zur optischen Achse der
übrigen Standardlinsen in der Wechselfassung genau konzentrischen Ringschneide gleitend
verschoben, bis ihre Achse mit dei optischen Standardlinsenachse zusammenfällt.
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Dies kann man mit einigen Stellschrauben in wenigen Sekunden erreichen,
wenn man beim Blick in das Beobachtungsmikroskop als Kriterium für das Zusammenfallen
das Verschwinden der Exzentrizität von typischen Beugungsringen innerhalb der Fixsternkaustik
betrachtet. Diese strenge Beseitigung der Zentrierfehler im vorläufigen Aufbau des
Gesamtsystems in der Wechselfassung bringt den sehr großen Vorteil, daß, sofern
bei der unmittelbar anschließenden Prüfung der Bildleistung eine Prüflinse wegen
Überschreitung der Endleistungstoleranz ausscheiden muß, man bestimmt sagen kann,
daß die Bildverschlechterung nicht durch einen Zentrierfehler, sondern einen anderen
Fertigungsfehler der beanstandeten Linse herbeigeführt ist, und daß man dann bei
Einschaltung des Testfixsterns mit einiger Sicherheit beurteilen kann, ob der Fehler
durch Nacharbek der Linsenflächen genügend korrigiert werden kann oder ob er durch
einen inneren Brechungsfehler der Linse bedingt ist, so daß sie in die Scherben
zu verweisen ist, Entscheidungen, die der Prüfende bei einiger Übung in Sekunden
treffen kann, wenn die Bedingungen, geeignetes Testobjekt mit sehr kleinem, sehr
hellem Testfixstern, exakter Aufbau der Wechselfassung und strenge Beseitigung der
Wirkung von Durchmesser- und Zentrierfehlern der Prüflingslinse, erfüllt sind.
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Wenn bei einem mehrlinsigen zentrierten Linsensystem zwei benachbarte
Einzellinsen im endgültigen Aufbau nicht durch einen Luftabstand, sondern durch
eine sehr dünne, starre Kittschicht verbunden sind, wobei die benachbarten Linsenflächen
gleichen Krümmungsradius haben, und nun die eine der beiden
Linsen
serienmäßig nach dem erfindungsgemäßen Verfahren in der Wechselfassung geprüft werden
soll, so würden bei einer Verschiebung der zu prüfenden Linse innerhalb der Wechselfassung
unmittelbar auf der anliegenden kongruenten Standardlinsenfläche Beschädigungen
der Linsenflächen kaum zu vermeiden sein. Daher wird die Prüflingslinse in der Wechselfassung
nicht zur vollen Berührung auf die kongruente Standardlinsenfläche aufgelegt, sondern
auf eine sehr dünne, starre, auf der Standardlinse angebrachte Randringzone. Statt
dessen kann man die Prüflingslinse auch auf einer dünnen Flüssigkeitsschicht mit
einer Brechzahl n 1 gleiten lassen, z. B.
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Glyzerin mit n ungefähr gleich 1,45 oder sogar Wasser mit n ungefähr
gleich 1,33, das man zum Zweck der Prüfung auf die Fläche der Standardlinse aufbringt.
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Die Erfindung ist in Abb. 1 bis 3 der Zeichnung an Hand von drei
Ausführungsbeispielen veranschaulicht. Dabei ist ein photographisches Objektiv gewählt,
bestehend aus vier Glaslinsen L1, L2, L 3, L4, wobei im fertig zusammengebauten
System L 1 von L2 und L2 von L 3 durch einen Luftraum, L 3 von L 4 durch eine dünne
Kittschicht Ki getrennt sind. Die Außenflächen Fl 1 bis Fl 8 der vier Linsen haben
die Krümmungsmittelpunkte M 1 bis M8, die sämtlich auf der optischen Achse A des
Gesamtsystems liegen.
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Bei der in Abb. 1 dargestellten Wechselfassung für ein solches vierlinsiges
System liegen die Linsen L 1 bis L 4 je in ihrem Fassungsbett Fa 1 bis Fa 3 und
sind mit diesem in den Rohrstutzen Still eingebracht.
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Die drei Ringschneiden Ri 8, Ri 4, Ri 2, auf denen die Unterflächen
der Linsen L 4, L2 und L 1 aufliegen. sind konzentrisch zur Achse A, so daß bei
senkrechter Stellung der Achse A die Krümmungsmittelpunkte M 8, M4, M2 (in oc) der
durch ihr Gewicht auf den RingschneidenRi voll aufliegenden Linsen in der Achse
A liegen, ebenso wie auch die KrümmungsmittelpunkteM1, M3, M5 (in ovo), M6, M7,
falls die einzelnen nackten Linsen keinen merklichen Zentrierfehler und keinen merklichen
Durchmesserfehler haben, so daß sie kein merkliches Spiel für seitliche Verrückungen
in ihrem Fassungsbett haben.
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Das in Abb. 1 a dargestellte, von oben leuchtende Testobjekt TO liegt
entweder in großer Entfernung über der Wechselfassung oder, für die praktische Anwendung
in der Regel bequemer, in der Brennebene eines Kollimatorobjektivs Ko, aus dem die
von den einzelnen Punkten von TO divergent ausgesandten Strahlen parallelstrahlig
austreten. Dann liegt das vom Gesamtsystem entworfene Bild des Testobjekts in dem
Flächenelement um den unteren Brennpunkt F des Gesamtlinsensystems. Das Bild von
Stern und Testkranz des Testobjekts kann man entweder gleichzeitig im Okularfeld
des Mikroskops Mi beobachten oder man kann durch sekundenmäßigen Wechsel der Beleuchtung
Fixstern und Testkranz intermittierend ausschalten.
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Zur Beobachtung der Bildleistung ist zwischen dem Mikroskop Mi und
dem Bild in F ein Spiegel Sp eingeschaltet. Da die mikroskopische Beobachtung der
Bildleistung in Luft häufig zu Störungen führt oder ermüdet, kann auch eine MattscheibeMa
eingeschaltet werden (Abb. 2), die für die Beobachtung auch mit starker Vergrößerung
kornlos gemacht wird, indem man sie in eine zu ihr senkrechte, außerhalb des Bildelements
in Fliegende AchseMA rotieren läßt.
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Legt man in die Wechselfassung lauter fertigungsfehlerfreie Standardünsen
L 1 bis L4, so ist das in F beobachtete Bild genau das von der Rechnung erwartete,
einschließlich der bei der Rechnung nicht beseitigten Aberrationen. Das Bild des
Sterns St des Testobjekts ist auch rechnungsmäßig nicht etwa punktförmig, sondern
ein Beugungsscheibchen, das aus zum Achsenpunkt konzentrischen Interferenzringen
besteht, die um so klarer ausgeprägt sind, je geringer die Winkelgröße des Sterns
ist, wobei schon die zwischen 30 und 50 Bogensekunden schwankende Jupitergröße störend
wirkt. Sollen nun z. B. hundert nackte Linsen L 1 (oder L2, L3, L4) auf ihre Eignung
zu fertigen Objektiven geprüft werden, so bleibt die Wechselfassung mit den übrigen
Standardlinsen L2 + L3 + L4 (oder L1 + L3 + L4 oder L1 + L2 + L4 oder L1 + L2 +
L3) in der genau vorgeschriebenen Lage beschickt, und die hundert Prüflingslinsen
L 1 (oder L 2 oder L 3 oder L 4) werden wechselweise in ihr Bett eingelegt. Diejenigen
Prüflingsindividuen L1 (oder L2 oder L3 oder L4), bei denen die Prüfung in der Wechselfassung
die Bildgüte innerhalb des Testkranzes über eine vorgeschriebene Toleranzgrenze
hinaus gemindert zeigt, werden ausgesiebt, während die übrigen zur Serienfertigung
der hundert endgültigen Objekte wandern.
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Der Aufbau der Wechselfassung in Abb. 1 erlaubt ein bequemes Auswechseln
der Linsen L l, wenn sich die Eignungsprüfung auf diese erstrecken soll. Zul Prüfung
der Linsen L2 oder L 3 kann das Fassungsbett Fa 2 oder Fa 3 zum Linsenwechsel seitlich
herausziehbar oder herausschwenkbar mittels eines Durchbruchs im äußeren Rohrstutzen
Stit gemacht werden. Zum Auswechseln der Linsen L 3 + L 4 odel der Linse L 4 allein
kann das ganze Linsensystem auf den Kopf gestellt und in die Wechselfassung eingesetzt
werden (Abb. 3).
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Bei der in Abb. 2 dargestellten Wechselfassung ist das Bett für die
LinseL1 ringsherum erweitert, so daß diese seitlich in jedem Azimut um kleine Beträge
verschoben werden kann. Hierzu dienen zwei Schrauben Schr 1 und Scher2, gegen die
die Linse L 1 durch eine gegenüberliegende schwache Turmfeder TF angedrückt wird
(Abb. 2a). Legt man in die Wechselfassung nach Abb. 2 außer den drei Standardlinsen
L 2, L 3, L 4 auch eine Standardlinse L 1 ein, die also von allen Fertigungsfehlern,
auch vom Durchmesserfehler und vom eigenen Zentrierfehler frei ist, und rückt sie,
mit der unteren Fläche auf der Ringschneide Ri 2 gleitend, aus der anfänglichen,
gestrichelt gezeichneten exzentrischen LageA,' innerhalb des erweiterten Betts mittels
der beiden Schrauben Schr 1 und Scher 2 gegen den Druck der Feder TF in eine solche
Lage, daß ihre optische Achse in die optische Achse A der unteren drei Standardlinsen
fällt, so liegen wie in Abb. 2 a angedeutet, die Berührungspunkte der beiden Schrauben
und der Feder mit dem Randzylinder der Linse auf einem Kreis KO, der konzentrisch
zur Achse A ist und den für die Linse L 1 vorgeschriebenen Durchmesser DO hat. Legt
man nun, wie in Abb. 2b angedeutet, statt der Standardlinse L 1 eine zu prüfende
Linse, die mit allerlei Fertigungsfehlem, darunter auch einem Durchmesserfehler
d = DDO und einem Zentrierfehler e, d. h. endlichem Abstand e zwischen der mechanischen
Achse mA des Randzylinders K und der optischen Achse OA behaftet ist, in die Wechselfassung
ein, so kann man unter Betätigung der Schrauben Schr 1 und
Schr2
die Prüflinse so in dem Azimut e des Zentrierfehlers e gegen den gegenüberliegenden
Federdruck verschieben, daß ihre optische Achse OA in die Achse der übrigen Standardlinsen
fällt. Dadurch kann die Wirkung des Zentrierfehlers der Prütbngslinse L 1 auf die
Bildleistung des Systems in der Wechselfassung ausgeschaltet werden, um die klare
Beurteilang der übrigen der Prüflingslinse L 1 anhaftenden Fertigungsfehler an der
Fixstern-Beugungsfigur im Mikroskop bequem zu machen.
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Als Kriterium dafür, daß die optische Achse der zu prüfenden Linse
in die richtige Lage gerückt ist, das ganze System also in der Wechselfassung vom
Zentrierfehler befreit ist, dient bei kräftiger Mikroskopvergrößerung das klar zu
beobachtende Verschwinden einer ganz besonderen Rotationsunsymmetrie des Beugungsscheibchens
in der axialen Bildkaustik.
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In ähnlicher Weise kann die Einrichtung auch zur Prüfung auf Durchmesser-
und Zentrierfehler der anderen Linsen L2 bis L 4 herangezogen werden.
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Dabei ist es für das Auswechseln und Richten von zu prüfenden Serienlinsen
L 4 besser, wenn man L 4 zur obersten Linse macht. Das ganze System wird also gemäß
Abb. 3 auf den Kopf gestellt, wobei die Linsen L 1, L2, L 3 auf drei Ringscheiben
Ri 1, Ri 3 und Ri5 aufliegen; das Licht tritt von dem fernen Teststern St bzw. dem
Testobjekt TO von unten ein, und die Bildleistung wird in dem dann oberhalb des
ganzen Systems liegenden Brennpunkt F mit dem Mikroskop Mi beobachtet. Um dabei
Beschädigungen der beiden polierten Flächen Fl 6 und F17 der Linsen L 3 und L 4
zu vermeiden, ist es zweckmäßig, den äußersten Rand der Standardlinsenfläche F16
mit einer starren, dünnen und zur Achse konzentrischen Ringschicht Ri 6,7 zu bekleiden,
auf der dann die Randzone der Fläche Fl 7 beim Richten der Linse L 4 (z. B. von
A'4, Fr8 und M'8 nach A, Fl8 und M8) gleitet, ohne die Fläche Fl6 zu berühren. Diese
SchichtRi6,7 kann einen vollen oder in verschiedenen Azimuten durch Aussparungen
unterbrochenen Ring bilden.
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Bei dieser Art der Prüfung der Linsen L 4 werden die Fertigungsfehler
ihrer Oberfläche F17 unnötig streng beurteilt, weil Fehler dieser Linsenfläche,
da sie in der Wechselfassung an Luft mit der Brechzahl n = 1 grenzt, die Bildleistung
stärker schädigen. als wenn sie im endgültigen System an Kitt mit der glasnäheren
Brechzahl n = etwa 1,5 oder auch schon an Wasser mit n = 1,33 grenzt. Die Prüfung
auf die Zulässigkeit der Fertigungsfehler von Fläche F17 kann also weniger streng
und damit für die Fertigung verbindlicher gemacht werden, wenn man die Linse L 4
außer oder statt wie in Fig 3 auf einer starren Randringzone Ri6, 7 der Fläche Kl
6 mit Luftabstand auch auf einer dünnen Flüssigkeitsschicht (Wasser, Glyzerin od.
ä.) gleiten läßt, die man nur zu diesem Prüfgang zwischen die Standardlinse L 3
und die Serienlinse L4 einbringt.