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Ein optisches System besteht grundsätzlich aus mehreren Einzellinsen. Dabei sollen alle Krümmungsmittelpunkte der einzelnen Linsenflächen (jede Linse hat zwei Flächen und deshalb auch zwei Krümmungsmittelpunkte) auf einer Geraden, der optischen Achse, liegen. Die Leistungsfähigkeit eines optischen Systems hängt in hohem Grad davon ab, wie exakt diese Forderung erfüllt wird, fachmännisch ausgedrück: wie exakt die einzelnen Flächen "zentriert" sind.

Ist die Zentrierung der einzelnen Flächen bei optischen Systemen mit fester Brennweite, also mit feststehenden Linsen, schon schwierig, bei Objektiven mit veränderbaren Brennweiten, also verschiebbaren Linsen, wird sie zu einer grundlegenden Aufgabe, von deren Lösung die Qualität eines Zoom-Objektivs in ganz entscheidendem Maße abhängt.

Beim Entwickeln eines optischen Systems mit veränderbarer Brennweite wird durch entsprechende Verteilung der optischen Brechkräfte darauf hingewirkt, daß die Positionen der verschiebbaren Glieder gewisse Lageabweichungen erlauben. Aber diese zugelassenen Toleranzen für die Lage der Schiebeglieder in Zoom-Objektiven sind so klein, daß eine außerordentliche Präzision der mechanischen Wirkungselemente angestrebt werden muß. Es darf also beim Bewegen der Schiebeglieder die Zentrierung der wirksamen Linsenflächen nicht gefährdet werden. Außerdem sollte die Variation der drei Luftabstände zwischen den Linsengruppen 1-2, 2-3 und 3-4 (nach Bild 1) in hohem Maße reproduzierbar erfolgen. Umkehrspannen dürfen sich optisch nicht auswirken. Das bedeutet, sie dürfen bei den mechanischen Elementen gar nicht erst auftreten.

Zu diesen hohen Forderungen an die geometrische Genauigkeit beim Bewegen optischer Baugruppen in Objektiven mit veränderbarer Brennweite kommt noch die Forderung nach einer reibungsarmen Bewegung, denn bei einem motorischen Antrieb (Power Zoom) will man mit möglichst wenig Energie auskommen. Außerdem wird eine lange und wartungsfreie Lebensdauer erwartet. Es bedarf kaum eines Hinweises, daß diese Forderungen, die sich zum Teil widersprechen, nicht ohne Kompromisse erfüllt werden können, über einige praktisch erprobte Lösungen der Verschiebekinematik in Vario-Objektiven wird im folgenden berichtet.

An sieben verschiedenen Beispielen werden charakteristische Ausführungen von Verstell- möglichkeiten für die Schiebeglieder in Vario-Objektiven beschrieben. Die Unterschiede beruhen zum Teil auf der Größe des Brennweitenbereiches und dem Verwendungszweck. Ihre konstruktiven Merkmale werden jeweils gesondert betrachtet, und zwar nach der Art der mechanischen Führung und der der Kraftübertragung. Die behandelten Beispiele sind zunächst in einer Tabelle übersichtlich zusammengestellt.

Präzisions-Vario-Objektive, wie z. B. alle in der Tabelle angeführten SCHNEIDER-Variogone, weisen getrennte Funktionselemente zur Führung der Schiebe-glieder und zur Kraftübertragung auf. Die Forderung, die Schiebeglieder über ihren Verstellweg ohne Abweichungen von der optischen Achse, ohne Umkehrspannen und mit geringer Reibung zu führen, ist mit gemeinsamen Elementen kaum ohne Kompromisse zu erfüllen. Außerdem ist ein Führungsverhältnis (Verhältnis von Führungslänge zum Führungsdurchmesser) notwendig, das wesentlich über dem vom Konstrukteur allgemein zu berücksichtigenden Wert liegt.

Bei zwei Schiebegliedern sind zwei getrennte Führungssäulen notwendig, die dritte Säule, die die Verdrehung verhindert, ist gemeinsam. Die Führungssäulen sind vorzugsweise spitzenlos geschliffen, wobei außer an die Durchmessergenauigkeit höchste Anforderungen an Rundheit, Parallelität und Ebenheit gestellt werden. Die Führungsbohrungen in den Augen der Schiebefassungen werden mit speziellen Bohreinheiten nach den gleichen Gesichtspunkten bearbeitet.

Um geringstes Lagerspiel in Verbindung mit einer leichtgängigen Betätigung zu erreichen, werden bei der Montage der Objektive zusätzlich Schiebeglied und Säule gepaart. Außerdem müssen die Stangen in sehr engen Grenzen parallel zueinander und zur optischen Achse stehen.

Der Präzision und Funktion der Schiebefassungen kann nicht genug Bedeutung beigemessen werden, weil schon die kleinste Abweichung der Schiebeglieder von ihrer vorausberechneten Position in einer der drei Dimensionen Leistungseinbußen des optischen Systems bewirkt.

Für Studio-Fernseh-Objektive wurde die Stangenführung mit einer Kugelführung ausgestattet. Zu den bereits geschilderten Vorzügen kommen dann noch: Leichtgängigkeit, Wartungsfreiheit und günstigeres Temperaturverhalten. Da Kugelführungen schon bei relativ kleiner Kugelpressung eine Verkippung - auch bei entsprechender Belastung - ausschließen, kann die Konstruktion des Säulenkäfigs sehr freizügig den übrigen Erfordernissen angepaßt werden.

Die Brechkräfte sind bei diesem Objektiv so auf die Wirkungsgruppen verteilt, daß sich bei linearem Weg des ersten Schiebegliedes - also gerader Steuerkurve I - (vgl. Bild 2) eine proportionale Veränderung der Brennweite ergibt. Die lineare Funktion ist für die Änderung des Abbildungsmaßstabes sehr vorteilhaft.

Die Steuerkurve II für das zweite Schiebeglied ist dann entsprechend nicht-linear zugeordnet. Bei Systemen mit großem Brennweitenbereich muß man, um zu große Steigungswinkel der Steuerkurve für das zweite Schiebeglied zu vermeiden, auch der Steuerkurve des ersten Schiebegliedes eine gewisse Nichtlinearität zuordnen. Allerdings sollte man von der Proportionalität der Brennweitenänderung nur so wenig wie möglich abweichen.

Der zweiarmige Hebel besitzt hier einen ortsfesten Drehpunkt. Der längere Hebelarm ist als Kurve ausgebildet. Beim Verschieben des ersten Gliedes zur Brennweitenverstellung führen 2 Rollen am ersten Schiebeglied den kurvenförmigen Hebelarm und erteilen ihm eine entsprechende Drehbewegung. Diese überträgt der kleinere Hebelarm über eine Rolle auf das zweite Schiebeglied und steuert damit die Verstellung zum Erlangen der Schnittweitenkonstanz. Der größere Aufwand der kinematischen Anordnung des Kurvenhebels wird durch seine einfachere Fertigungsmöglichkeit zum Teil ausgeglichen.

Die beiden Variatorteile sind über ein Kegelrad-Differential miteinander verbunden. Auf den beiden Kurvenzylindern 1 und 2 sind Steuerspuren 1 und 2 so angeordnet, daß der dazwischen liegende Riegel jeweils einen der beiden Variatoren sperrt (in der gezeichneten Stellung den Variator 2). Die Drehbewegung der Antriebswelle wird über das Differential und das Stirnrad S 1 auf den Zahnkranz des Kurvenzylinders 1 übertragen.

Sobald der Variator 1 seine Endstellung erreicht hat, übernimmt der Variator 2 die Brennweitenänderung und Schnittweitenkonstanz, indem sich gleichzeitig der Riegel in Pfeilrichtung verschiebt, und der Variator 1 gesperrt wird. Dabei wird die Drehbewegung des Antriebes über die Kreuzwelle und das Stirnrad S2 auf den Kurvenzylinder 2 übertragen. Die 30fache Brennweitenänderung wird so für den Betrachter ohne sichtbaren Übergang wechselseitig von den beiden Variatoren ausgeführt.

Diese Übersicht kann selbstverständlich die Problematik der Entwicklung der Verschiebe- kinematik und Herstellung von Objektiven mit veränderbaren Brennweiten nur allgemein aufzeigen. Feinmechanisch- optische Erzeugnisse erfordern ein relativ hohes Maß an Know-how. Für Präzisionsobjektive mit veränderbarer Brennweite gilt dies im Besonderen.

Eine weitere sehr gut gemachte und informative Broschüre der Firma Canon ist in Arbeit
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• Nachtrag der Redaktion: Bitte beachten Sie, daß alle diese Zeichnungen noch aus 1973 stammten, also ohne Coreld Draw oder Photoshop am Reißbrett erstellt wurden !!

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