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Die Erfindung betrifft ein Zoom-Objektiv mit einer zwischen einer
Telestellung und einer Weitwinkelstellung variierbaren Brennweite für eine
elektronische Kamera, mit der stehende Bilder aufgenommen werden können, wobei das
Zoom-Objektiv, von der Objektseite aus gesehen, aufeinanderfolgend eine positive erste
Linsengruppe, eine zweite, bezüglich der ersten Linsengruppe zum Verschaffen einer
Zoom-Wirkung bewegbare, negative Linsengruppe, eine dritte Linsengruppe und eine
feststehende positive vierte Linsengruppe umfaßt, wobei die vierte Linsengruppe die
Hauptgruppe ist, die konstante Stärke hat, und die ersten drei Linsengruppen zusammen
ein Linsensystem niedriger Stärke und veränderlicher Vergrößerung bilden.
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Die US-Patentschrift 3.891.304 beschreibt ein Zoom-Objektiv mit der
oben genannten Zusammensetzung aus vier Linsengruppen, das für die Verwendung in
einer 8-mm-Filmkamera gedacht ist und über ein bestimmtes Maß an
Verzeichnungskorrektur und ein bestimmtes Auflösungsvermögen verfügt, die für eine
elektronische Stehbildkamera nicht ausreichend sind. Dies liegt daran, daß das
menschliche Auge für Fehler bei stehenden Bildern empfindlicher ist als für Fehler bei
bewegenden Bildern.
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In einer elektronischen Kamera wird kein lichtempfindlicher Film mehr
für die Aufzeichnung der aufgenommenen Bilder verwendet, sondern diese Bilder
werden elektronisch aufgezeichnet, um später über eine elektronische
Wiedergabevorrichtung, wie einer Fernsehbildwiedergabevorrichtung, wieder dargestellt
oder um abgedruckt zu werden. In dieser Kamera ist ein sogenannter elektronischer
Bildsensor in der Bildebene des Zoom-Objektivs angeordnet, der nicht nur eine
zweidimensionale Matrix aus strahlungsempfindlichen Halbleiterelementen enthält,
sondern auch mit diesen Elementen gekoppelte elektronische Schaltungen für die
Verarbeitung und vorübergehende Speicherung der in den elektrischen Ausgangssignalen
der strahlungsempfindlichen Elemente vorhandenen Bildinformation. Der Bildsensor hat
eine strahlungsempfindliche Oberfläche, deren Abmessungen sich von denen der
Bildebene einer herkömmlichen Fotokamera oder denen einer herkömmlichen
Filmkamera unterscheiden. Ein üblicherweise verwendeter elektronischer Bildsensor,
beispielsweise mit einem sogenannten ladungsgekoppelten Bauelement oder CCD (CCD:
charge-coupled device), das als Bildübertragungselement oder FIT) (FIT): frame
transfer device) ausgeführt ist, wie in Videokameras verwendet, hat eine
Bildfelddiagonale von 11 mm. Bei Verwendung eines solchen Bildsensors in einer
Stehbildkamera muß ein Zoom-Objektiv mit einer entsprechenden Bildfelddiagonalen
eingesetzt werden.
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Im Vergleich zu einem Zoom-Objektiv für eine Bewegtbildkamera sollte
das Objektiv für eine Stehbildkamera nicht nur ein höheres Auflösungsvermögen haben,
sondern auch in größerem Maße verzeichnungsfrei sein. Unter Verzeichnung soll die
Verzeichnung des Bildes verstanden werden, beispielsweise die sogenannte
Kissenverzeichnung. Das menschliche Auge kann eine Verzeichnung oder ein schwaches
Auflösungsvermögen in einem stillstehenden Bild eher erkennen als in einem bewegten
Bild.
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Bekanntlich umfaßt ein elektronischer Farbbildsensor drei Arten
strahlungsempfindlicher Elemente, die jeweils nur für die Grundfarben Rot, Grün bzw.
Blau empfindlich sind. Diese Elemente sind in einem regelmäßigen Muster
nebeneinander angeordnet, wobei die Elemente einer ersten Art jeweils von Elementen
der beiden anderen Arten umgeben sind. Da die strahlungsempfindlichen Elemente eine
bestimmte Dicke haben, kann, bei schrägem Einfall des Hauptstrahls eines abbildenden
Strahlenbündels, ein Teil des Strahlenbündels von der Größe eines
strahlungsempfindlichen Elements nicht nur durch ein gewünschtes
strahlungsempfindliches Element treten, sondern auch durch ein benachbartes Element
einer anderen Farbe. Dies kann zu einer Farbverschiebung in dem rekonstruierten Bild
führen. Es ist daher wünschenswert, daß das Zoom-Objektiv an der Bildseite
telezentrisch ist. Der Hauptstrahl eines einen Punkt des Objekts in einen Punkt des
Sensors abbildenden Strahlenbündels fällt dann immer senkrecht auf die Sensorfläche
ein.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Klasse
von Zoom-Objektiven zu verschaffen, die höheres Auflösungsvermögen mit geringeren
Verzeichnungen, als bekannte Zoom-Objektive haben, kombinieren, so daß sie
besonders für die Verwendung in einer elektronischen Kamera für stehende Bilder im
allgemeinen und in Kameras mit einem Farbbildsensor im besonderen geeignet sind.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist das erfindungsgemäße Zoom-Objektiv
dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmungen der Oberflächen der Linsenelemente in
der ersten und der zweiten Linsengruppe ebenso wie die zu gegebenen Brennweiten des
Zoom-Objektivs gehörenden Lagen der zweiten Linsengruppe derart sind, daß die
Summe der sphärischen Aberration der ersten Linsengruppe und der der zweiten
Linsengruppe über den gesamten Zoom-Bereich konstant ist.
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Unter dem Zoom-Bereich soll der Brennweitenbereich verstanden werden,
innerhalb dessen das Objektiv eingestellt werden kann.
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Die sphärische Aberration ist in diesem Zusammenhang die gegenseitige
sphärische Aberration der Hauptstrahlen der das Zoom-Objektiv unter verschiedenen
Winkeln erreichenden Teilbündel. Diese sphärische Aberration kann auch als sphärische
Aberration des Bildes der Eintrittspupille bezeichnet werden, d. h. des Bildes der Pupille
in dem von den vor dieser Pupille angeordneten Linsengruppen gebildeten Objektraum.
Die genannte Bedingung impliziert, daß die Hauptstrahlen aller Teilbündel durch ein
und denselben Punkt der Pupille treten.
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Für das erfindungsgemäße Zoom-Objektiv ist es wesentlich, daß die
Verzeichnung des die ersten drei Linsengruppen enthaltenden Objektivteils im gesamten
Zoom-Bereich von der Telestellung bis zur Weitwinkelstellung konstant ist. Das Zoom-
Objektiv kann telezentrisch ausgeführt sein. Die bisher bekannten Zoom-Objektive
weisen in der Tat eine sehr geringe Verzeichnung in der Telestellung auf, aber die
Verzeichnung dieser Zoom-Objektive ist in der Weitwinkelstellung erheblich.
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Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Zoom-Objektivs im Vergleich
zu dem in der US-Patentschrift 3.891.304 beschriebenen ist, daß der maximale
Feldwinkel in der Weitwinkelstellung, für den das Objektiv noch genügend
verzeichnungsfrei ist, größer sein kann, beispielsweise 2 · 30º für das neuartige Zoom-
Objektiv und 2 · 20º für das bekannte Zoom-Objektiv. Unter dem Feldwinkel wird der
Winkel verstanden, unter dem, im Objektraum, der Hauptstrahl eines schräg
einfallenden Strahlenbündels, das von dem Zoom-Objektiv mit akzeptabler
Vignettierung durchgelassen worden ist, die optische Achse des Objektivs schneidet.
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Das erfindungsgemäße Zoom-Objektiv ist vorzugsweise weiterhin dadurch
gekennzeichnet, daß
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- im Telebetrieb die Strahlen des schrägsten Randstrahlenbündels, das unter dem
Akzeptanzwinkel eintritt, relativ kleine Winkel mit den Normalen der Linsenelemente
sowohl der ersten als auch der zweiten Linsengruppe bilden, während diese Strahlen in
der zweiten Linsengruppe nahe der optischen Achse verlaufen und die sphärischen
Aberrationen der ersten und der zweiten Linsengruppe klein sind und einander
mindestens zum größeren Teil kompensieren, und daß
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- im Weitwinkelbetrieb die Strahlen des genannten Randstrahlenbündels relativ große
Winkel mit den Normalen der Linsenelemente sowohl der ersten als auch der zweiten
Linsengruppe bilden, während diese Strahlen in der zweiten Linsengruppe in einem
relativ großen Abstand zur optischen Achse verlaufen und die relativ große positive
sphärische Aberration der ersten Linsengruppe und die relativ große negative sphärische
Aberration der zweiten Linsengruppe einander in gleichem Maße wie im Telebetrieb
kompensieren.
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Ein Randstrahlenbündel ist ein vom Rand des Objekts ausgehendes
Strahlenbündel. Der Akzeptanzwinkel ist der Winkel, unter dem der Hauptstrahl des
schrägsten Randstrahlenbündels, das mit noch akzeptabler Vignettierung durch das
Zoom-Objektiv tritt, die Achse des Zoom-Objektivs schneidet. Der Akzeptanzwinkel ist
also gleich dem maximalen Feldwinkel.
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Die verbleibende sphärische Aberration der ersten beiden Linsengruppen
kann im Prinzip gleich null sein. Dann muß auch die Hauptgruppe vollständig
hinsichtlich sphärischer Aberration korrigiert sein.
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Das erfindungsgemäße Zoom-Objektiv ist jedoch vorzugsweise weiterhin
dadurch gekennzeichnet) daß die konstante sphärische Aberration der ersten und der
zweiten Linsengruppe zusammen gleich und entgegengesetzt der der Hauptgruppe ist.
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In diesem Fall müssen keine weiteren Maßnahmen getroffen werden, um
die Hauptgruppe einerseits und die Kombination aus erster und zweiter Linsengruppe
andererseits aberrationsfrei zu machen.
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Ähnlich wie in dem in der US-Patentschrift 3.891.304 beschriebenen
Zoom-Objektiv kann die dritte Linsengruppe bewegbar sein, und sie dient dann als
Fokuskompensator während des Zoomens. Zusätzlich zu diesem Fokuskompensator hat
das bekannte Zoom-Objektiv eine positive feststehende Linsengruppe zwischen der
Fokuskompensation und der Hauptgruppe.
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Um die axiale und transversale chromatische Aberration des Zoom-
Objektivs zu begrenzen, ist das Zoom-Objektiv weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß
ein Linsenelement sowohl der ersten, der zweiten als auch der vierten Linsengruppe die
Form eine Dubletts hat.
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Ein Dublett ist ein zusammengesetztes Linsenelement mit zwei
Linsenelementen unterschiedlicher Dispersion, die direkt oder über eine Luftschicht
miteinander verkittet sind und bei denen die Innenflächen die gleiche Krümmung haben.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und
werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen
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Fig. 1a, 1b und 1c, Fig. 2a, 2b und
2c und Fig. 3a, 3b und 3c eine erste, zweite und dritte Ausführungsform des Zoom-
Objektivs, und zwar in der Telestellung, der Normalstellung und der
Weitwinkelstellung. Gleiche Teile in der Zeichnung haben gleiche Bezugszeichen.
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Von der Objektseite aus gesehen, die in der Zeichnung links liegt, umfaßt
das Zoom-Objektiv eine positive erste Linsengruppe G&sub1;, auch als Frontgruppe
bezeichnet, aus drei positiven Linsenelementen L&sub1;, L&sub2; und L&sub3;. Dieser Gruppe folgt eine
bewegbare und negative Linsengruppe G&sub2; aus zwei negativen Linsenelementen L&sub4; und
L&sub5;. Durch Bewegen dieser Gruppe, die auch als Variatorgruppe bezeichnet wird, kann
die Brennweite eingestellt werden. In Fig. 1b, 2b und 3b befindet sich die
Variatorgruppe in der Zwischenstellung, und das Zoom-Objektiv hat die mittlere oder
"normale" Brennweite. Fig. 1a, 2a und 3a zeigen die Telestellung, bei der sich die
Variatorgruppe in ganz rechter Stellung befindet und die Brennweite des Zoom-
Objektivs maximal ist. Die Weitwinkelstellung des Zoom-Objektivs ist in den Fig. 1c,
2c und 3c dargestellt. Die Variatorgruppe befindet sich dann in der ganz linken
Stellung, und die Brennweite ist minimal.
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Eine, beispielsweise positive, Linsengruppe G&sub3;, die aus einem einzigen
Linsenelement L&sub6; bestehen kann, ist hinter der Variatorgruppe angeordnet. Wenn dieses
Linsenelement positiv ist, formt es ein divergentes Strahlenbündel aus der
Variatorgruppe in ein paralleles Strahlenbündel um. Die Linsengruppe G&sub3; kann auch in
geringem Maße divergierend sein.
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Ein aus der Linsengruppe G&sub3; tretendes Strahlenbündel wird von einer
vierten Linsengruppe G&sub4;, die ungefähr die gesamte Stärke bei der mittleren Zoom-
Stellung liefert und als Hauptgruppe bezeichnet wird, in der Bildebene IP fokussiert.
Die Hauptgruppe kann drei positive Linsenelemente L&sub7; L&sub8; und L&sub9; umfassen.
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Die Pupille PP' des Zoom-Objektivs liegt in der Nähe des ersten
Linsenelements L&sub7; der Hauptgruppe, so daß die beiden ersten Linsengruppen ziemlich
exzentrisch verwendet werden, das heißt, die Randstrahlenbündel durchlaufen diese
Linsengruppen in relativ großem Abstand von der optischen Achse 00'.
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Das erfindungsgemäße Zoom-Objektiv ist über den gesamten Zoom-
Bereich genügend verzeichnungskorrigiert. Dies kann anhand des Verlaufs des
Hauptstrahls des schrägsten Strahlenbündels b&sub1; durch das Zoom-Objektiv hindurch für
die beiden Extremfälle, die Telestellung und die Weitwinkelstellung, gezeigt werden.
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In der Telestellung (Fig. 1a, 2a und 3a) ist der Einfallswinkel α des
Hauptstrahls des Strahlenbündels b&sub1; relativ klein, beispielsweise 10º. Die Elemente der
Frontgruppe werden maximal exzentrisch durchlaufen. Die Linsenelemente L&sub1;, L&sub2; und
L&sub3; dieser Gruppe sind so gekrümmt, daß pro Linsenelement die Bedingung der
minimalen Abweichung nahezu erfüllt ist, das heißt, pro Linsenelement in der
Frontgruppe ist der Winkel, unter dem der Hauptstrahl beim Durchgang durch dieses
Linsenelement abgeknickt wird, klein. Die positive sphärische Aberration des
Hauptstrahls des Randstrahlenbündels b&sub1; in der Frontgruppe ist relativ klein bezüglich
des Hauptstrahls des zentralen Strahlenbündels b&sub0;. Die Linsenelemente L&sub4; und L&sub5; der
Variatorgruppe G&sub2; werden in der Telestellung relativ nahe der optischen Achse
durchlaufen, und die negative sphärische Aberration diese Linsengruppe ist
verhältnismäßig klein. Es kann dafür gesorgt werden, daß die Summe der kleinen
positiven und der kleinen negativen sphärische Aberration die sphärische Aberration der
Hauptgruppe kompensiert. Im Falle einer idealen Hauptgruppe, ohne sphärische
Aberration, muß die genannte Summe ebenfalls null sein.
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In der Weitwinkelstellung ist der Einfallswinkel α des Hauptstrahls des
Strahlenbündels b&sub1; erheblich größer als in der Telestellung, beispielsweise 30º. Die
Variatorgruppe G&sub2; liegt jetzt nahe der Frontgruppe, und die Strahlen des
Strahlenbündels b&sub1; durchlaufen die Elemente der Variatorgruppe in relativ großem
Abstand von der optischen Achse. Folglich tritt in dieser Gruppe eine relativ große
negative sphärische Aberration auf, die an sich in der Bildebene IP eine starke,
sogenannte Kissenverzeichnung verursachen würde. Dies wird jedoch dadurch
verhindert, daß wegen des großen Einfallswinkels der Hauptstrahl des Strahlenbündels
b&sub1; die Linsenelemente der Frontgruppe G&sub1; nicht mehr entsprechend der Bedingung der
minimalen Abweichung durchläuft, so daß das Strahlenbündel b&sub1; in der Frontgruppe
eine relativ große sphärische Aberration aufweist. Diese Aberration kompensiert die
relativ große negative sphärische Aberration der Variatorgruppe mindestens zum
größeren Teil, so daß die resultierende Aberration gleich der in der Telestellung ist.
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Somit kann erreicht werden, daß die sphärische Aberration des durch das
Zoom-Objektiv tretenden Strahlenbündels, nach dem Durchlaufen des teleskopischen
Objektivteils mit den Linsengruppen G&sub1;, G&sub2; und G&sub3;, in der Telestellung und in der
Weitwinkelstellung netto nahezu gleich ist. In dem erfindungsgemäßen Zoom-Objektiv
kann die Verzeichnung in allen Zoom-Bereichen kleiner als ungefähr 1% gehalten
werden.
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Vorzugsweise hat ein Linsenelement in sowohl der Frontgruppe G&sub1;, der
Variatorgruppe G&sub2; als auch der Hauptgruppe G&sub4; die Form eines Dubletts. In den in der
Zeichnung dargestellten Ausführungsformen sind das die Elemente L&sub1;, L&sub5; und L&sub7;. Mit
dieser Maßnahme können die chromatischen Aberrationen begrenzt werden;
beispielsweise kann der transversale Farbfehler kleiner als ungefähr 5 Mikrometer sein,
während der longitudinale Farbfehler kleiner als die Schärfentiefe des Zoom-Objektivs
sein kann. Wegen der verschiedenen Dispersionen der Teilelemente der genannten
Dubletts haben diese Elemente einen achromatisierenden Effekt.
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In der in Fig. 1a, 1b und 1c gezeigten Ausführungsform ist die
Linsengruppe G&sub3; bewegbar. Durch automatisches Anpassen der Lage dieser Gruppe an
die der Variatorgruppe G&sub2; kann dafür gesorgt werden, daß das aus der Variatorgruppe
tretende divergente Strahlenbündel in ein paralleles Strahlenbündel umgeformt wird.
Dann wird jedes aus dem Objektivteil G&sub1;, G&sub2; und G&sub3; tretende Teibündel immer in die
Bildebene IP von der Hauptgruppe G&sub4; fokussiert. Die bewegbare Linsengruppe G&sub3; ist
dann ein Fokuskompensator.
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In der in Fig. 2a, 2b und 2c gezeigten Ausführungsform ist die
Linsengruppe G&sub3; feststehend. Diese Gruppe kann dann während des Zoomens nicht
mehr als Fokuskompensator dienen. Um zu erreichen, daß dennoch auf dem Bildsensor
IS immer ein scharfes Bild erzeugt wird, kann während des Zoomens des durch das
Zoom-Objektiv tretenden Strahlenbündels, über den Bildsensor oder mit einer
gesonderten Fokusdetektionseinrichtung in der Kamera, zu der das Zoom-Objektiv
gehört, die Fokussierung detektiert werden. Die Fokussierung kann mit dem erhaltenen
Fokusfehlersignal neu eingestellt werden, beispielsweise durch Verschieben der
Frontgruppe G&sub1;.
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Der Objektabstand kann durch axiale Bewegung der Frontgruppe ebenfalls
eingestellt werden.
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In dem in Fig. 2a, 2b und 2c gezeigten Zoom-Objektiv ist zwischen dem
Linsenelement L&sub7; und dem Linsenelement L&sub8; ein Infrarot-Filter F angeordnet.
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Für ein Zoom-Objektiv nach den Fig. 2a, 2b und 2c, dessen Brennweite
zwischen 10 mm und 26 mm einstellbar und dessen Blendenzahl gleich F/2,8 ist, gelten
die folgenden Werte für die Abstände d zwischen den Flächen S&sub1;, . . .
S&sub2;&sub3;, die axialen
Krümmungen C, die Brechzahlen n und die Durchmesser D der Flächen;
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Die Pupille PP' liegt beispielsweise 3 mm von der Linse L&sub6; entfernt.
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Dieser Abstand kann verändert werden. Die in der obigen Tabelle mit d&sub1; und d&sub2;
bezeichneten Abstände sind variabel. Die folgenden Werte für d&sub1; und d&sub2; gelten bei den
verschiedenen Zoom-Abständen dZ:
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Die Gesamtlänge dieses Zoom-Objektivs beträgt ungefähr 89,5 mm.
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Das in den Fig. 3a, 3b und 3c dargestellte Zoom-Objektiv
unterscheidet sich von dem in den Fig. 2a, 2b und 2c gezeigten dadurch, daß die
Linsenelemente L&sub4; und L&sub5; dichter beieinander angeordnet sind und daß das
Linsenelement L&sub6; hinter der Pupille PP' liegt.
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Für ein Zoom-Objektiv, wie in den Fig. 3a, 3b und 3c dargestellt,
dessen Brennweite zwischen 10,5 mm und 25 mm einstellbar ist und dessen Blendenzahl
zwischen F/4,0 und F/2,8 eingestellt werden kann, gelten die folgenden Werte für die
Abstände d zwischen den Flächen S&sub1; . . . S&sub2;&sub3;, die axialen Krümmungen C, die
Brechzahlen n und die Durchmesser D der Flächen:
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Die folgenden Werte für d&sub1; und d&sub2; gelten bei den verschiedenen Zoom-
Abständen dZ: