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Retrofokus-Weitwinkel-Objektiv
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Retrofokus-Uberweitwinkel-Objektiv
gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, das durch Verwendung eines asphärischen Objektivs
hinsichtlich unterschiedlicher Aberationen gut kompensiert ist.
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Es sind bisher unterschiedliche Arten von Retrofokus-Weitwinkel-Qbjektiven
bekannt, bei denen es zwar vorteilhaft ist, daß eine ausreichend lange Bildbrennweite
erzielt werden kann, wogegen aber die Kompensation der Verzeichnung, des Astigmatismus
und der Koma schwierig ist, da das Linsensystem selbst unsymetrisch ist, und es
insbe-
sondere sehr schwierig ist, die Verzeichnung und den Astigmatismus
gleichzeitig zu kompensieren. Folglich steigt zum Kompensieren der unterschiedlichen
Aberrationen mit größer werdendem Bildwinkel die Anzahl der Linsen beträchtlich
an.
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Es ist bekannt, eine asphärische Fläche zum Kompensieren der Verzeichnung
als ein Verfahren dafür heranzuziehen, die Aberrationen ohne komplizierten Aufbau
des Linsensystems zu kompensieren. Dabei beeinflußt die asphärische Fläche empfindlich
andere Aberrationen, so daß der Einsatz der asphärischen Fläche sorgfältig vorgenommen
werden muß, wobei ausgesagt werden kann, daß zum guten Kompensieren der Verzeichnung
die asphärische Fläche an einem Ort in dem Objektiv vorgesehen werden soll, an dem
der Abstand zwischen der optischen Achse und dem achsentfernten Hauptlichtstrahl
bei dem maximalen Bildwinkel so groß wie möglich ist.
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Der Grund ist folgender: Es sei hier angenommen, daß v die Nummer
der jeweiligen Linsenfläche ist, hv die Höhe des Orts an der vth Fläche ist, an
der der Lichtstrahl entlang bzw. parallel zur optischen Achse die Fläche schneidet,
hv die Höhe des Orts auf der Ath Fläche ist, an der der Hauptlichtstrahl (ein Strahl
vom Objektpunkt zur Mitte der Blende) die Fläche schneidet, und I (Sphärische Aberration
mit dem Aberrationskoeffizienten dritten Grades) = II (Koma) = #IIv, III (Astigmatismus)
= #IIIv, V (Verzeichnung) = EVB ist.
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Dabei ist das Ausmaß, zu dem die asphärische Größe zu der jeweiligen
Aberration beiträgt, in Bezug auf IE proportional
zu h4 , in bezug
auf IIf proportional zu h3 ht in bezug auf III v proportional zu h2t ht 2 und in
bezug auf vr proportional zu he ht 3 (im Falle der fünften Ordnung hr je h5).
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Aus dem Vorstehenden ist ersichtlich, daß zum Kompensieren der Verzeichnung
V unter Verwendung einer asphärischen Fläche die Fläche mit großem h v , jedoch
kleinem hv asphärisch ausgebildet werden sollte, um den Einfluß auf die anderen
Aberrationen so klein wie möglich zu halten.
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Ferner ist selbst im Bereich höherer Ordnung als der fünften Ordnung
die Verzeichnung einer hohen Ordnung für proportional, so daß die zur Kompensation
der Verzeichnung asphärisch ausgebildete Fläche an dem Teilbereich wirkungsvoll
ist, an dem ht groß ist.
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Ein Beispiel eines Retrofokus-Weitwinkel-Objektivs, bei dem die Verzeichnung
mit einer asphärischen Fläche kompensiert ist, während der als Folge davon vergrößerte
Astigmatismus unterdrückt ist, ist in der US-PS 3 832 035 beschrieben. Im Falle
dieses Beispiels wird zum Ausschalten der Verzeichnung irgendeine beliebige Fläche
in einem vorderen Zerstreuungslinsensystem asphärisch gemacht, während der Astigmatismus
dadurch kompensiert wird, daß die Summe der Stärken an der Mitte einer vorbestimmten
Anzahl von Linsen beschränkt wird.
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Gemäß der vorstehenden Erläuterung steigt jedoch im Falle des Retrofokus-Weitwinkel-Objektivs
die Anzahl der Linsen zum Kompensieren der unterschiedlichen Aberrationen beträchtlich
stärker an, je größer der Bildwinkel ist; daher ist die Verwirklichung eines kompakten
Weitwinkel-Objektivs erwünscht, dem bisher keine besondere Aufmerksamkeit geschenkt
wurde.
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Wenn in einem Objektiv eine Linse mit einer asphärischen Oberfläche
verwendet wird, bedeutet das einen erhöhten Arbeitsaufwand und damit verbundene
erhöhte Poduktionskosten, indem man die Linsenoberfläche zu einer asphärischen und
dann zu einer sphärischen Form greifen muß.
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Wenn man die Linse mit der asphärischen Fläche aus Kunststoff herstellt,
können die Herstellungskosten entscheidend gesenkt werden, da eine Kunststofflinse
mittels Spritzformen hergestellt werden kann, wobei nur einige genaue Spritzformen
eine Massenproduktion innerhalb kürzester Zeit ermöglichen.
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Eine Kunststofflinse hat jedoch zwei Nachteile. Erstens hat das Kunststoffmaterial
einen größeren Wärmeausdehnungs-und Wärmekontraktionskoeffizienten als Glas, wobei
Dickenänderungen der Kunststofflinse die gesamte Brennweite und die Bildbrennweite
nachteilig beeinflussen. Zweitens hat eine im Spritzgußverfahren hergestellte Linse
verglichen mit einer Glaslinse eine schlechtere Oberflächenqualität.
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Dies bedeutet eine Verschlechterung der Aberration.
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Ein Objektiv, das eine Kunststofflinse mit asphärischer Oberfläche
aufweist ist in der GB-PS 1 388 723 beschrieben, wobei es sich jedoch als unmöglich
herausstellte, ein Hochleistungs-Objektiv mit einer Kunststofflinse aufgrund der
oben erwähnten Nachteile zu schaffen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Retrofokus-Weitwinkel-Objektiv
zu schaffen, bei dem trotz eines beachtlich großen Bildwinkels die Verzeichnung
kompensiert ist, während andere Aberrationen gleichfalls gut kompensiert sind. Dabei
soll das Retrofokus-Weitwinkel-Objektiv leicht und billig sein und die Verzeichnung
und andere Aberrationen gut kompensiert sein.
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Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs
1 gelöst, d.h. es wird ein Retrofokus-Weitwinkel-Objektiv geschaffen, bei dem eine
Kunststofflinse mit einer asphärischen Oberfläche wirkungsvoll angeordnet ist.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und wird im folgenden näher beschrieben.
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Es zeigen: Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer ersten Zerstreuungslinsengruppe
des Retrofokus-überweitwinkel-Objektivs; Fig. 2 eine Schnittansicht eines ersten
Ausführungsbeispiels des Objektivs; Fig. 3A bis 3D jeweilige Aberrationen bei dem
ersten Ausführungsbeispiel; Fig. 4 eine Schnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels
des Objektivs; und Fig. 5A bis 5D jeweilige Aberrationen bei dem zweiten Ausführungsbeispiel.
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Das Retrofokus-Weitwinkel-Objektiv ist in der Reihenfolge von der
Objektseite her in eine erste Zerstreuungslinsengruppe und eine zweite Sammellinsengruppe
aufgeteilt. Im Falle der nachstehend erläuterten Ausführungsbeispiele ist die erste
Zerstreuungslinsengruppe von der zweiten Sammellinsengruppe an einer Stelle abgesondert,
an der die Höhe eines paraxial an der optischen Achse aufgetragenen Lichtstrahls
mit einer Einfallhöhe 1,0 gleich 1,4 ist.
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Zum guten Kompensieren der Verzeichnung ist es empfehlenswert, eine
asphärische Fläche an einer Stelle vorzusehen, an der der Abstand zwischen der optischen
Achse und dem Hauptlichtstrahl mit maximalem Bildwinkel so groß wie möglich
ist;
im Falle eines Linsensystems, das zu dem Weitwinkel-Objektiven unter den sog. Aufnahmeobjektiven
gehört, deren Bildbrennweite länger als das 1,7-fache der Gesamtbrennweite ist,
ist dabei zu empfehlen, die asphärische Fläche zur Verzeichnungskompensation in
der ersten Zerstreuungslinsengruppe vorzusehen, in welcher eine Fläche mit maximalem
ht , jedoch kleinem ht vorliegt. Insbesondere dann, wenn im Falle eines Retrofokus-Weitwinkel-Objektivs
mit einer asphärischen Fläche der Bildwinkel beträchtlich groß ist, ist es ferner
möglich, den Durchmesser der Vorderlinse dadurch stark zu verringern, daß die Luftabstände
in der ersten Zerstreuungslinsengruppe verkürzt werden. Folglich kann das Weitwinkel-Objektiv
erfindungsgemäß durch die folgenden zwei Maßnahmen kompakt gemacht werden: Erstens
ist es wesentlich, daß unmittelbar vor der Linse mit einer asphärischen Fläche eine
streuende Miniskuslinse mit einer Konvexfläche an der Objektseite angebracht wird
und der Krümmungsradius der der asphärischen Fläche gegenüberstehenden Linsenfläche
der Miniskuslinse kleiner als der Radius der paraxialen Krümmung der asphärischen
Linse ist.
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Zweitens hat eine herkömmliche asphärische Linse, wie beispielsweise
im in der US-PS 3 832 035 beschriebenen Retrofokus-Weitwinkel-Obj ektiv, paraxial
einen beträchtlichen Streuungseffekt, während erfindungsgemäß eine afokale Linse
(eine Linse ohne Brechkraft erster Ordnung) als diejenige Linse verwendet wird,
die mit einer asphärischen Fläche versehen ist. Auf diese Weise ist in dem Fall,
daß die Zerstreuungswirkung bei der ersten Zerstreuungslinsengruppe des erfindungsgemäßen
Objektivs gleich derjenigen bei der herkömmlichen ersten Zerstreuungslinsengruppe
gewählt ist, die Zerstreuungswirkung einer jeden Konkavlinse erfindungsgemäß selbst
dann schwächer, wenn die Anzahl der konkaven Miniskuslinsen in der ersten
Zerstreuungslinsengruppe
gemäß der Erfindung gleich der in der herkömmlichen ersten Zerstreuungslinsengruppe
ist.
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Dies ermöglicht die Verringerung der Luftabstände in der ersten Zerstreuungslinsengruppe
oder die Verringerung der Anzahl der Linsen, sowie darüberhinaus die Verringerung
des Durchmessers der Vorderlinse. Ferner treten Aberrationen höherer Ordnung seltener
auf, was zur Leistungsverbesserung dient, d.h., der Umstand, daß die asphärische
Linse für die Kompensation tonnenförmiger Verzeichnung paraxial nahezu afokal ist,
schließt vielerlei optisch wichtige Faktoren für die Verwirklichung des Linsensystems,
die Verbesserung der Leistung, die Realisierung eines großen Bildwinkels usw. ein.
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Bei dem Retrofokus-Uberweitwinkel-Objektiv besteht eine erste Zerstreuungslinsengruppe
ausschließlich aus Meniskuslinsen mit einer dem Objekt zugewandten Konvexfläche,
nämlich in der Reihenfolge von dem Objekt her einer Zerstreuungslinsengruppe 1-1,
deren wenigstens eine Meniskuslinse einennegativen Brechungsindex hat, einerLinsengruppe
1-2, deren wenigstens eine Meniskuslinse eine paraxiale Brennweite mit einem Absolutwert
hat, der 25 mal oder mehr als 25 mal so groß ist wie die zusammengesetzte Brennweite
des Linsensystems, und einerZerstreuungslinsengruppe 1-3, deren mehr als eine Meniskuslinse
übersteigenden Meniskuslinsen einen negativen Brechungsindex haben. Die in der Linsengruppe
1-2 angeordnete Meniskuslinse ist eine nahezu afokale Linse, wobei die dem Objekt
zugewandte Fläche der Linsengruppe 1-2 asphärisch ist und folgendermaßen dargestellt
werden kann:
V = AH2 + BH4 + CH6 + DH8 + EH10 Dabei wird mit den nachstehenden Definitionen:
R = paraxialer Krümmungsradius H = zur optischen Achse senkrechte Koordinate X =
mit der optischen Achse ausgerichtete Koordinate, bei der die Richtung, entlang
der Lichtstrahl fortschreitet, als positiv angenommen ist, während der Scheitel
der Fläche als Ursprung angenommen ist, A-E = asphärische Koeffizienten und unter
der Bedingung BX O der Ausdruck V zugleich mit einer Vergrößerung von H (OU H t
R) größer. D.h., die asphärische Fläche ist so geformt, daß die Versetzung der asphärischen
Fläche, nämlich das Abschleifausmaß der Fläche um so größer ist, je weiter sie von
der optischen Achse weg zu dem Umfang der Linse hin entfernt ist. Ferner ist der
Krümmungsradius der der vorgenannten asphärischen Fläche gegenüberstehenden Fläche
der Zerstreuungslinsengruppe 1-1 kleiner als der paraxiale Krümmungsradius R der
asphärischen Fläche.
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Ferner besteht die zweite Sammellinsengruppe aus einer Sammellinsengruppe
2-1 und einer Sammellinsengruppe 2-2 in der Aufeinanderfolge vom Objekt her, wobei
zwischen den Sammellinsengruppen die Blende eingeschlossen ist.
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In der Sammellinsengruppe 2-1 ist wenigstens eine streuende Meniskuslinse,
deren Konkavfläche dem Objekt zugewandt ist, unmittelbar vor der dem Objekt zugewandten
Seite der Blende angeordnet, während an der dem Objekt
zugewandten
Seite der streuenden Meniskuslinse eine bikonvexe Linse angebracht ist. Dabei hat
eine zwischen der streuenden Meniskuslinse und der bikonvexen Linse gebildete Luftlinse
eine streuende Wirkung. Ferner hat die Sammellinsengruppe 2-2 wenigstens eine streuende
Fläche, die zu der Bildebene hin konkav ist.
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Ferner soll der Abstand zwischen der Blende und der bildseitigen Fläche
der bikonvexen Linse in der genannten Sammellinsengruppe 2-1 wenigstens 0,15 mal,
jedoch höchstens 0,85 mal so groß sein wie die wirksame Brennweite des Weitwinkel-Objektivs.
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Durch Ausbildung der ersten Zerstreuungslinsengruppe ausschließlich
mit zur Objektseite hin konvexen Meniskuslinsen ist es ermöglicht, daß kein besonders
großer Lichteinfallwinkel oder Lichtausfallwinkel auftritt, wenn der Lichtstrahl
außerhalb der Achse, der den Umfang der Bildebene erreicht und der einen besonders
großen Einfallwinkel an der ersten Fläche hat, durch die Linsengruppe hindurchtritt;
dies steht in Verbindung mit der Verringerung des Durchmessers der Linse und der
angemessenen Kompensation der Aberration.
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Die asphärische Fläche der in der Linsengruppe 1-2 angebrachten nahezu
afokalen Meniskuslinse ist so geformt, daß das Versetzungsausmaß der asphärischen
Fläche um so größer ist, je näher es an dem Umfang der Linse liegt.
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Dies bedeutet, daß die Linse mit der asphärischen Fläche nahe der
Mitte des Lichtbündels nahezu afokal ist, während zum Umfang der Bildebene hin die
Konvergenz gesteigert ist, was sehr wirkungsvoll dafür ist, eine angemessene Kompensation
der tonnenförmigen Verzeichnung zum Umfang der Bildebene hin beträchtlich zu steigern.
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Grundlegend ist es wichtig, die Verzeichnung durch den dritten Aberrationskoeffizienten
so klein wie möglich zu halten, wozu wenigstens B größer als Null sein sollte.
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Die Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der ersten Zerstreuungslinsengruppe
des Objektivs, wobei die 1-1-te Zerstreuungslinsengruppe 1, die 1-2-te Linsengruppe
2 und die 1-3-te Linsengruppe 3 jeweils aus nur einer einzigen Linse gebildet sind.
Die asphärische Fläche 2a ist mit einer gestrichelten Linie gezeigt, wobei der Krümmungsradius
der der asphärischen Fläche 2a gegenüberliegenden Linsenfläche 1a kleiner als derjenige
der Fläche 2a ist. Bei dieser Form der asphärischen Fläche steigt im Vergleich zu
einer gewöhnlichen sphärischen Linse der Luftspalt zwischen der bildseitigen Fläche
1a der negativen Meniskuslinse 1 und der asphärischen Fläche 2a zum Umfang der Linse
hin an. D.h., die Linse 1 kann näher an die asphärische Linse 2 herangebracht werden,
was die Verringerung der Gesamtobjektivlänge und des Durchmessers der Vorderlinse
zuläßt.
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Bei dem Weitwinkel-Objektiv soll die zur Kompensation der tonnenförmigen
Verzeichnung in der Linsengruppe 1-2 angebrachte asphärische Linse paraxial nahezu
afokal sein, wobei als Normalmaß die Brennweite dieser asphärischen Linse 25 mal
so groß wie diejenige des gesamten Linsensystems oder größer ist. Der paraxiale
Brechungsindex dieser asphärischen Linse zeigt beim ersten Ausführungsbeispiel geringe
Konvergenz, beim zweiten und dritten Ausführungsbeispiel geringe Divergenz, beim
vierten Ausführungsbeispiel geringe Konvergenz und beim fünften und sechsten Ausführungsbeispiel
sehr geringe Konvergenz. Folglich hat die asphärische Linse in der Linsengruppe
1-2 des Objektivs paraxial einen sehr geringen Brechungsindex, wobei aufgrund der
asphärischen Fläche praktisch mit zunehmendem
Abstand von der optischen
Achse weg zu dem Umfang der Linse hin stärkere Konvergenz auftritt.
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Ferner ist an der Objektseite der asphärischen Linse eine objektseitige
konvexe, negative oder streuende Meniskuslinse angebracht, so daß zuerst der Lichtstrahl
mit einem großen Einfallswinkel aus der optischen Achse heraus mitteils der streuenden
Meniskuslinse so gebrochen wird, daß der Winkel zwischen dem Lichtstrahl und der
optischen Achse verringert wird, und dann in die asphärische Linse eintritt. Auf
diese Weise kann es nie geschehen, daß der chromatische Vergrößerungsunterschied
(g-Linie) nach dem größten Bi-ldwinkel extrem groß wird.
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Durch das Einsetzen einer asphärischen Fläche wird dabei die tonnenförmige
Verzeichnung kompensiert. Es kann jedoch nicht unbedingt behauptet werden, daß die
von der Verzeichnung verschiedenen Aberrationen nicht nachteilig beeinflußt werden;
dabei wird der Astigmatismus am schwersten in der Weise beeinflußt, daß das Ausmaß
proportional dem Kompensationsausmaß für die Verzeichnung ist. Falls innerhalb des
Bereichs der vorstehend genannten Bedingungen die Verzeichnung bei einem Zustand
kompensiert wird, bei dem das Kompensationsausmaß für die Verzeichnung gering ist,
bleibt daher die Verschlechterung des Astigmatismus erträglich. Zur weiteren Vergrößerung
des Bildwinkels unter Einhaltung des kompakten Aufbaus ist es jedoch notwendig,
die tonnenförmige Verzeichnung dadurch zu kompensieren, daß gemäß den vorstehenden
Ausführungen das Abweichungsausmaß der asphärischen Fläche gesteigert wird, wodurch
zugleich die Kompensation des Astigmatismus stark herabgesetzt wird. Bei dem Ausführungsbeispiel
ist beispielsweise der Astigmatismus nicht mehr zulässig, wenn der Bildwinkel größer
als 99,80 ist. Ferner sind zum Erzielen eines weiter verringerten F-Wertes (von
beispiels-
Auf die gleiche Weise wie die vorstehend genannten Aberrationen
ist der Astigmatismus proportional zu h 2 h 2, während die Verzeichnung nahezu proportional
zu hQ hQ 3 ist.
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Bei dem Weitwinkel-Objektiv ist daher die vorstehend genannte streuende
Meniskuslinse in der Sammellinsengruppe 2-1 zwischen der Blende und der objektseitigen
Fläche der bikonvexen Linse und etwas näher an der Blende angeordnet, wobei die
objektseitige Fläche der bikonvexen Linse zwischen 0,15 f und 0,85 f von der Blende
entfernt ist. Dabei ist f die Brennweite des gesamten Linsensystems.
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Auf diese Weise hat diese konkave Meniskuslinse in einem gewissen
Ausmaß ein großes ht (+) und ein kleines W (-), so daß praktisch keine tonnenförmige
Verzeichnung auftritt, während der Astigmatismus angehoben wird. Durch Ausbildung
dieser konkaven Linse als objektseitig konkave Meniskuslinse fällt der Lichtstrahl
außerhalb der optischen Achse auf die Linse mit einem beträchtlich großen Winkel
ein, so daß an dem Lichtstrahl nahe der Mitte ein nicht allzu starkangehobener Astigmatismus
auftritt, während der Astigmatismus um so stärker angehoben ist, je weiter der Lichtstrahl
von der optischen Achse abliegt.
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Wenn daher die vorstehend genannte streuende Meniskuslinse innerhalb
von 0,15 f von der Blende entfernt liegt, ist nahezu Null, so daß praktisch kein
Astigmatismus auftritt, während bei ihrer Lage über 0,85 f von der Blende weg hinaus
der Astigmatismus schon von der Umgebung des mittleren Zwischenbildwinkels weg angehoben
ist, wobei auch eine starke tonnenförmige Verzeichnung auftritt, so daß eine angemessene
Kompensation der Aberration insgesamt nicht mehr möglich ist. Im Falle des herkömmlichen
Retrofokus-Uberweitwinkel-Objektivs besteht allgemein die Tendenz, zwischen dem
Zwischen-Winkel und dem maximalen
weise F1 : 2,8 oder besser im
Falle des Ausführungsbeispiels) unter Einhalten einer guten Abbildungsfähigkeit
am Umfang der Bildebene die vorstehend genannten Bedingungen auch für die zweite
Sammellinsegruppe notwendig.
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Die zweite Sammellinsengruppe besteht nämlich in der Reihenfolge von
der Objektseite her aus der Sammellinsengruppe 2-1 und der Sammellinsengruppe 2-2,
zwischen denen die Blende eingeschlossen ist. Unmittelbar vor der Blende ist in
der Sammellinsengruppe 2-1 wenigstens eine streuende Meniskuslinse mit einer objektseitigen
Konkavfläche vorgesehen, während an der Objektseite dieser streuenden Meniskuslinse
eine bikonvexe Linse in der Weise angebracht ist, daß zwischen der streuenden Meniskuslinse
und der bikonvexen Linse eine streuende Luftlinse gebildet ist. Wenn die streuende
Meniskuslinse aus einer Mehrzahl von Linsen gebildet ist, können die bikonvexe Linse
und die letzte Meniskuslinse an der Objektseite miteinander verkittet sein. In diesem
Fall bildet die verkittete Fläche eine streuende Fläche ohne Luftspalt. Die Sammellinsengruppe
2-2 enthält wenigstens eine an der Bildseite konkave streuende Fläche, wobei diese
streuende Fläche entweder gegen Luft freiliegen kann oder mit einer anderen Fläche
verkittet sein kann.
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Durch Anbringen einer streuenden Luftlinse oder einer streuenden Fläche,
die eine übermäßige sphärische Aberration hervorruft, in der Sammellinsengruppe
2-1 bzw.
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2-2 kann der Ausgleich der sphärischen Aberration mit dem Gesamtlinsensystem
mittels des Ausmaßes der sphärischen Aberrationen beibehalten werden, deren jeweilige
Divergenz gering ist. Dies ermöglicht die Verringerung der sphärischen Aberration,
d.h. das Erzielen einer höheren Leistungsfähigkeit.
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Bildwinkel den Astigmatismus für einen Lichtstrahl (mit beispielsweise
der g-Linie) einer Wellenlänge stark zu unterdrücken, die kürzer als die Normalwellenlänge
ist.
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Auch bei diesem Bestreben kann dadurch angemessen kompensiert werden,
daß die streuende Meniskuslinse in der vorgenannten Sammellinsengruppe 2-1 an einem
geeigneten Ort innerhalb des Bereichs der vorstehend genannten Zahlenangaben angeordnet
wird, wie es bei dem Weitwinkel-Objektiv der Fall ist.
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Die Sammellinsengruppe 2-2 ist hinter der Blende in der Weise angeordnet,
daß gemäß der Darstellung in den nachstehend erläuterten Tabellen sowohl hb als
auch ht positive Werte haben, wobei der Wert für ht groß ist, während derjenige
für ht klein ist. Die streuenden Flächen in dieser Linsengruppe haben daher die
Auswirkung, den Astigmatismus anzuheben und kissenförmige Verzeichnung zu verursachen,
wobei beim Astigmatismus das Ausmaß größer als bei der Verzeichnung ist.
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Daher tritt selbst dann, wenn eine angehoben Entstehung von Astigmatismus
zugelassen wird, praktisch keine tonnenförmige Verzeichnung auf, so daß selbst aus
der Umgebung des Zentrallichtstrahls ein praktisch stark angehobener Astigmatismus
hervorgerufen werden kann.
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Neben den vorstehend genannten Auswirkungen haben die streuenden Flächen
in der Sammellinsengruppe 2-2 die Wirkung, die notwendige Größe der Bildschnittweite
beizubehalten, so daß es notwendig wird, die streuende Wirkung auf einem bestimmten
Maß zu halten, wobei es wünschenswert ist, daß diese Wirkung insbesondere bei grossem
Bildwinkel und großer Blendenöffnung von mindestens mehr als zwei Flächen hervorgerufen
wird.
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Da ferner der Astigmatismus in großem Ausmaß vom mittleren Bildwinkel
weg erzeugt wird, müssen die Linsen innerhalb eines Bereichs objektseitig konkav
sein, innerhalb dessen nicht zu starke Aberrationen höherer Ordnung erzeugt werden.
Dies hat zur Auswirkung, daß die Bildschnittweite verlängert wird. Daher wird der
Mangel an Kompensation des Astigmatismus, der durch die Kompensation der tonnenförmigen
Verzeichnung durch Steigerung des Abweichungsausmaßes der asphärischen Fläche in
der ersten Zerstreuungslinsengruppe hervorgerufen wird, in der zweiten Sammellinsengruppe
durch Anbringen einer streuenden Meniskuslinse in der Sammellinsengruppe 2-1 in
der Umgebung des maximalen Bildwinkels und durch die objektseitig konkaven streuenden
Flächen in der Sammellinsengruppe 2-2 von der Umgebung der Mitte zu der Umgebung
des mittleren Bildwinkels hin kompensiert. Da ferner in der Sammellinsengruppe 2-1
und 2-2 jeweils ein Teilbereich mit streuende Wirkung vorliegt, kann die sphärische
Aberration versetzbar für das ganze Linsensystem ausgeglichen werden, in welchem
die jeweiligen sphärischen Aberrationen gering sind; dadurch ist es möglich, eine
große Blendenöffnung zu erhalten.
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Weiter kann gemäß der vorliegenden Erfindung die Meniskuslinse mit
der asphärischen Fläche der Linsengruppe 1-2 aus Kunststoff bestehen. Hierdurch
ist es möglich, ein leichtes Retrofokus-Weitwinkel-Objektiv billig herzustellen.
Wie bereits erwähnt, weist eine Kunststofflinse eine große thermische Ausdehnung
und Kontraktion auf, die sich nachteilig auf die Gesamtbrennweite des Objektivs
und die Bildbrennweite auswirkt. Ferner weist eine spritzgegossene Plastiklinse
eine schlechte Oberfläche auf, und neigt zur Verschlechterung der Aberration.
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In dem Retrofokus-Weitwinkel-Objektiv gemäß der Erfindung ist eine
asphärische Kunststofflinse ohne Brechkraft erster Ordnung unmittelbar hinter der
bildseitigen Fläche einer streuenden Meniskuslinse angeordnet, die dem Objekt am
nächsten angeordnet und eine objektseitige konvexe Oberfläche aufweist, wodurch
die asphärische Oberfläche der Kunststofflinse der streuenden Meniskuslinse gegenüberliegend
angeordnet ist. Da die asphärische Kunststofflinse im wesentlichen keine Brechkraft
erster Ordnung hat, werden die Nachteile der thermischen Verformung der Kunststofflinse
auf das Objektiv aufgehoben. Ebenfalls werden die Nachteile aufgrund der Tatsache,
daß Kunststoffe im allgemeinen infolge von Temperaturänderungen im Vergleich zu
einem optischen Glas größere Veränderungen des Brechungsindex zeigen aufgehoben.
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Aufgrund der Anordnung der asphärischen Oberfläche unmittelbar hinter
der bildseitigen Fläche der dem Objekt am nächsten zugewandten streuenden Meniskuslinse
kann der wirksame Durchmesser der asphärischen Linse vergrößert werden. Die Breite
des auf und außerhalb der optischen Achse auf die asphärische Oberfläche einfallenden
Lichtstrahls ist daher relativ zum wirksamen Durchmesser der asphärischen Linse
sehr klein, so daß die Wirkungen auf die Aberration infolge der Abweichung der asphärischen
Oberfläche der Kunststofflinse von einer idealen Oberfläche gering sind.
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Die Streufähigkeit der Zerstreuungslinsengruppe 1-1 des Retrofokus-Weitwinkel-Objektivs
ist nicht so stark, daß auf diese Weise die Breite des auf dit st( Oberfläche einfallenden
Lichtstrahls auf der optischen Achse und die Breite des auf die asphärische Oberfläche
einfallenden Lichtstrahls sich nicht sehr stark ändern. Der Einfluß der Dickenänderung
auf die gesamte Brennweite und
die Bildbrennweite sind sehr gering,
da die Breite des Lichtstrahls auf der optischen Achse sich in der asphärischen
Linse nicht wesentlich ändert. Wenn beispielsweise die Dicke der asphärischen Linse
in der ersten Ausführungsform sich um 0,5 mm ändert, ändert sich die Gesamtbrennweite
nur um 0,02 mm und die Bildbrennweite nur um 0,001 mm. Gleiches trifft auf die Änderung
der Gesamtbrennweite und der Bildbrennweite infolge der Änderung des Brechungsindex
zu.
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Da die Breite des Lichtstrahls auf und außerhalb der optischen Achse
sehr klein in bezug auf den wirksamen Durchmesser der asphärischen Linse ist, kann
man sagen, daß der Einfluß auf die Aberration aufgrund der Änderung der asphärischen
Oberfläche gering ist.
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Aus diesem Grund ist es möglich, eine Kunststofflinse zu verwenden,
die im allgemeinen im Vergleich zu einer Glaslinse eine schlechte Oberflächengenauigkeit
aufweist, jedoch leicht hergestellt werden kann, wodurch eine entscheidende Verminderung
der Herstellungskosten bewirkt wird.
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Im Vergleich zu Glas hat Kunststoff ein sehr kleines spezifisches
Gewicht, wodurch die Verwendung einer Kunststofflinse als Linse mit einem großen
wirksamen Durchmesser sehr wirksam zur Verminderung des Gewichts des gesamten Objektivs
beiträgt.
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Als Kunststoff wird vorzugsweise ein Acrylkunststoff verwendet, da
die chromatische Aberration auf der Achse paraxial afokal ist, und somit nicht auftritt,
wohingegen jedoch im Randbereich die chromatische Aberration infolge der Vergrößerung
auftritt, da dieser Abschnitt konvergierend wirkt. Aus diesem Grund wird ein Material
mit einer so kleinen wie möglichen Dispersion, wie z.B. Acrylkunststoff bevorzugt.
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Bei den im folgenden beschriebenen Ausführungsformen besteht die Zerstreuungslinsengruppe
1-1 aus einer Zerstreuungsmeniskuslinse mit einer objektseitigen konvexen Oberfläche,
die Linsengruppe 1-2 aus einem Kunststoffmeniskuslinse mit einer objektseitigen
asphärischen Oberfläche und die Zerstreuungslinsengruppe 1-3 aus einer oder mehreren
zerstreuenden Meniskuslinsen mit objektseitigen konvexen Oberflächen.
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Zur Vermeidung der Nachteile der Kunststofflinse ist der absolute
Wert der paraxialen Brennweite der asphärischen Kunststofflinse 50-fach größer als
die wirksame gesamte Länge des Retrofokus-Weitwinkel-Objektivs und der Abstand der
bildseitigen Oberfläche der beiden konvexen Linsen in der Sammellinsengruppe 2-1
liegt in einem Bereich der 0,15 bis 0,35-fachen gesamten Brennweite. Der Bildwinkel
soll jedoch nicht kleiner als 102,70 sein.
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Erstes Ausführungsbelspiel: Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch ein
Retrofokus-Weitwinkel-Objektiv mit den Oberflächen R1 - R8 der ersten Zerstreuungslinsengruppe,
R9 - R26 der zweiten Sammellinsengruppe, wobei die Oberfläche R3 asphärisch und
die Oberflächen R3 und R4 die Oberflächen von Kunststofflinsen sind. Die Oberflächen
R1 - R2 entsprechen der Meniskuslinse 1-1, die Oberflächen R3 - R4 entsprechen der
Meniskuslinse 1-2, die Oberflächen R9 - R18 entsprechen der Sammellinsengruppe 2-1
und die Oberflächen R19 - R26 entsprechen der Sammellinsengruppe 2-2. A ist eine
Blende.
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Tabelle 1: Erstes Ausführungsbeispiel
| Krümmungs- Stärke & Berechnungs- Abbe |
| radius Abstand Index (nd) Zahl (d) |
| R 1 42.889 D 1 3.1 N 1 1.6968 # 1 55.5 |
| R 2 26.161 D 2 11.55 |
| R 3 61.567 D 3 5.83 N 2 1.*493 v 2 54.2 |
| R 4 57.577 D 4 0.15 |
| R 5 30.956 D 5 1.7 N 3 1.6968 # 3 55.5 |
| R 6 16.443 D 6 5.75 |
| R 7 32.978 D 7 1.3 N 4 1.7725 # 4 49.6 |
| R 8 16.486 D 8 5.95 |
| R 9 357.247 D 9 1.5 N 5 1.6968 # 5 55.5 |
| R 10 12.444 D10 10.4 N 6 1.60342 # 6 38 |
| R 11 -55.993 D11 2.53 |
| R 12 # D12 1.8 N 7 1.51633 # 7 64.1 |
| R 13 # D13 0.7 |
| R 14 49.441 D14 5.6 N 8 1.51742 # 8 52.3 |
| R 15 -12.228 D15 1.5 N 9 1.6968 v 9 55.5 |
| R 16 -14.588 D16 1.08 |
| R 17 -13.862 D17 0.9 N10 1.7725 #10 49.6 |
| R 18 -25.881 D18 1.7 |
| R 19 136.4 D19 9.65 N11 1.68893 #11 31.1 |
| R 20 -21.198 D20 1.9 N12 1.59551 #12 39.2 |
| R 21 54.226 D21 0.69 |
| R 22 -160.011 D22 0.8 N13 1.92286 v13 21.3 |
| R 23 28.566 D23 5.53 N14 1.48749 v14 70.1 |
| R 24 -17.829 D24 0.1 |
| R 25 277.71 D25 2.63 N15 1,804 #15 46.6 |
| R 26 -143.605 |
Tabelle 2: Aberrationskoeffizienten des ersten Ausführungsbeispiels
SA CM AS PT DS R 1 0.0089 0.0086 0.0082 0.1368 0.1395 R 2 -0.0940 0.0341 -0.0124
-0.2243 0.0860 R 3 0.1901 -0.1654 0.2515 0.0766 -0.1117 R X -0.0262 -0.0344 -0.0453
-0.0819 -0.1672 5 5 0.0987 0.0519 0.0272 0.1895 0.1139 R 5 -1.0512 0.1666 -0.0264
-0.3568 0.0607 R 7 0.5346 0.1458 0.0397 0.1888 0.0623 R 3 -4.0937 0.3852 -0.0362
-0.3777 0.0389 R 9 0.8115 0.2994 0.1105 0.0164 0.0468 R10 -2.8478 0.3591 -0.0452
-0.0394 0.0106 R11 -0.0106 -0.0362 -0.1236 0.0960 -0.0939 R12 0.3859 0.2145 0.1193
0.0000 0.0663 R13 -0.3955 -0.2199 -0.1222 0.0000 -0.0679 R14 2.2408 0.5310 0.1258
0.0985 0.0531 R15 -5.5306 0.7824 -0.1107 -0.0814 0.0271 R16 29.7855 -4.4844 0.6751
0.4022 -0.1622 R17 -31.3770 4.3542 -0.6042 -0.4492 0.1461 R18 1.3486 -0.4280 0.1358
0.2406 -0.1194 R19 0.0140 0.0210 0.0314 0.0427 0.1110 R20 1.2688 -0.0827 0.0053
0.0233 -0.0018 R21 -0.2020 -0.1453 -0.1045 -0.0983 -0.1459 R22 -0.0002 0.0007 -0.0021
-0.0428 0.1264 R23 -4.2175 -1.1740 -0.3268 -0.0761 -0.1121 R24 7.7045 -0.1320 0.0022
0.2626 -0.0045 R25 -0.0030 0.0116 -0.0454 0.0229 0.0872 R26 7.5725 -0.3468 0.0158
0.1460 -0.0074 # 2.1151 0.1171 -0.0569 0.1151 0.1820 Hierin bedeuten: SA = sphärische
Aberration; CM = Koma; AS = Astigmatismus; PT = Petzval-Summe und DS = Verzeichnung.
-
Dabei ist R3 eine asphärische Fläche, mit folgenden asphärischen Koeffizienten:
A = O D = -1,98246 x 10 11 B = 1,07336 x 10 5 E = 3,65339 x 10 14 C = 5,38038 x
10 9 f = 14,2 F = 1 : 2,8 bf = 36,1 Bildwinkel = 113,40 Der paraxiale fokale Abstand
der asphärischen Linse (R3, R4) ist gleich: -265f.
-
Der Abstand auf der optischen Achse zwischen der Oberfläche R und
der Blende A beträgt: O,30f.
-
Fig. 3 zeigt die Aberrationen der in Fig. 2 gezeigten Linse, wobei
die Werte der Aberrationskoeffizienten in Tabelle 2 dargestellt sind.
-
Zweite Ausführungsform: Fig. 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel
des Reprofokus-Weitwinkel-Objektivs, wobei die Oberflächen R1 - R6 die erste Zerstreuungslinsengruppe,
die Oberflächen R7 - R20 die zweite Sammellinsengruppe, und A eine Blende darstellen.
-
Die Oberfläche R3 ist asphärisch und die Oberflächen R3 -R4 sind die
Oberflächen von Kunststofflinsen. Die Oberfläche R1 - R2 entsprechen der Meniskuslinse
1-1, die Oberflächen R3 - R4 entsprechen der Meniskuslinse 1-2, die Oberflächen
R7 - R12 entsprechen der Sammellinsengruppe 2-1 und die Oberflächen R13 - R20 entsprechen
der Sammellinsengruppe 2-2.
-
Tabelle 3: zweites Ausführungsbeispiel
| Krümmungs- Stärke & Berechnungs- Abbe |
| radius Abstand Index (nd) Zahl ( d) |
| R 1 35.43 D 1 2.5 N 1 1.6968 # # 1 55.5 |
| R 2 17.531 D 2 6.8 |
| R 3 35.8 D 3 5.3 N 2 *1.493 # 2 54.2 |
| R 4 36.5 D 4 0.15 |
| R 5 21.591 D 5 1.5 N 3 1.6968 v 3 55.5 |
| R 6 10.2174 D 6 6. |
| R 7 300. D 7 8. N 14 1.60342 > #4 38. |
| R 8 -46.177 D 8 1.5 |
| R 9 124.799 D 9 7. N 5 1.60342 v 5 38. |
| R10 -14.3706 D10 1.1 |
| R11 -13.0615 D11 1. N 6 1.6968 v 6 55.5 |
| R12 -36.637 D12 2.3 |
| R13 67.788 D13 3.7 N 7 1.6968 # 7 30.1 |
| R14 -129.82 D14 1. N 8 1.66672 # 8 48.3 |
| R15 55.651 D15 1.2 |
| R16 -51.303 D16 1. N 9 1.92286 # 9 21.3 |
| R17 29.3603 D17 4.5 N10 1.48749 #10 70.1 |
| R18 -15.9063 D18 0.15 |
| H19 -340.986 D19 3.2 N11 1.7725 11 49.6 |
| R20 -23.448 |
Dabei ist R3 eine asphärische Fläche mit folgenden asphärischen Koeffizienten: A
= O D = -2,51574 x 10-11 B = 2,52989 x 10 5 E = 3,21205 x 10 13 C = 2,25528 x 10
8 f = 17,3 F = 1 : 2,8 bf = 36,2 Bildwinkel = 102,7°
Der paraxiale
fokale Abstand der asphärischen Linse (R3, R4) beträgt:62 f Der Abstand auf der
optischen Achse zwischen der Oberfläche R und der Blende A beträgt: O,19f.
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Fig. 5 zeigt die Aberrationen der in Fig. 4 gezeigten Linse, deren
Werte in Tabelle 4 dargestellt sind.
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Tabelle 4: Aberrationskoeffizienten des zweiten Ausführungsbeispiels:
SA CM AS PT DS R 1 0.0283 0.0253 0.0226 0.2009 0.1998 R 2 -0.7201 0.1892 -0.0497
-0.4061 0.1198 R 3 1.0013 -0.4385 0.3976 0.1599 -0.1848 R 4 -0.2416 -0.1263 -0.0661
-0.1568 -0.1166 R 5 0.7170 0.1523 0.0323 0.3297 0.0769 R 6 -10.0498 1.6351 -0.2660
-0.6969 0.1566 R 7 1.0832 0.4042 0.1508 0.0217 0.0644 R 8 -0.0023 0.0164 -0.1163
0.1413 -0.1766 R 9 0.4653 0.2698 0.1564 0.0522 0.1210 R10 21.5413 -4.4879 0.9350
0.4540 -0.2894 Ril -24.6732 4.6320 -0.8695 -0.5451 0.2655 R12 0.1360 -0.1005 0.0742
0.1943 -0.1984 R13 0.1278 0.1188 0.1105 0.1052 0.2005 R14 0.0040 -0.0033 0.0026
0.0015 -0.0034 R15 -0.2300 -0.1902 -0.1573 -0.1246 -0.2332 R16 -0.0146 0.0160 -0.0175
-0.1622 0.1966 R17 -5.2023 -1.5200 -0.4441 -o.o898 -0.1560 R18 4.1219 -0.3231 0.0253
0.3572 -0.0299 R19 0.0000 0.0002 0.0241 -0.0221 0.1671 R20 14.3171 -0.2084 0.0030
0.3223 -0.0047 E 2.4096 0.0612 -0.0518 0.1367 0.1753
Mit der Erfindung
ist ein Retrofokus-Weitwinkel-Objektiv geschaffen, das trotz seines beachtlich großen
Bildwinkels kompakt ist und hinsichtlich unterschiedlicher Aberrationen gut kompensiert
ist.
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Dieses Linsensystem besteht in der Reihenfolge von der Objektseite
her aus einer ersten zerstreuenden Linsengruppe und einer zweiten sammelnden Linsengruppe,
wobei die erste Zerstreuungslinsengruppe insgesamt aus einer Mehrzahl objektseitig
konvexer Meniskuslinsen in der Weise gebildet ist, daß die Verzeichnung kompensiert
und ein kompaktes Linsensystem dadurch erzielt wird, daß die objektseitige Fläche
einer Linse ohne Brechkraft erster Ordnung bei den Meniskuslinsen asphärisch ausgebildet
ist, wobei die Meniskuslinse mit asphärischer Fläche aus Kunststoff besteht, wodurch
man ein leichtes und billiges Retrofokus-Weitwinkel-Objektiv erhält.
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Ferner ist die zweite sammelnde Linsengruppe in zwei Linsengruppen
mit einer Blende als Trennstelle aufgeteilt, wobei der Reihenfolge von der Blende
zu der Objektseite hin in der objektseitigen Linsengruppe eine objektseitig konkave
Meniskuslinse und eine bikonvexe Linse so angeordnet sind, daß zwischen den beiden
Linsen eine Luftlinse mit streuender Wirkung gebildet ist, während in der bildseitigen
Linsengruppe eine bildseitig konkave Linse so angeordnet ist, daß der Astigmatismus
und die sphärische Aberration unterdrückt werden.
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L e e r s e i t e