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Elektronenstrahlröhre
Die Erfindung bezieht sich auf Elektronenstrahlröhren mit elektrostatischen Elektronenlinsen.
Es gibt Anwendungen von Kathodenstrahlröhren, bei denen Sammellinsen mit einer wirksamenöff- nung erforderlich sind, die gleich einem grossen Bruchteil des Gesamtquerschnittes des Linsengebildes ist.
Magnetische Linsen können diese Anforderung erfüllen, aber sie sind im allgemeinen kostspielig und kritisch und übermässig lang in der axialen Richtung. Die zu erfüllenden Anforderungen können auch durch
Linsen vom elektrostatischen Typ erfüllt werden, aber dabei treten mehrere Nachteile auf. Bei einigen
Typen, bei denen zylindrische Elektroden Verwendung finden, z. B. Einzellinsen, müssen sehr hohe Span- nungen angelegt werden und/oder muss die axiale Länge sehr gross sein, um eine weite Öffnung benutzen zu können ; bei andern Typen findet ein Drahtgitter Verwendung, das den Nachteil hat, dass der Elektronendurchlass der Linsen herabgesetzt wird und dass Sekundäremission auftritt.
Ein hohes Mass von Konvergenz mit korrigierten Abbildungsfehlern lässt sich bei einer grossen Öffnung leichter dadurch erhalten, dass zwei in bezug aufeinander um 900 gedrehte Vierpollinsen Verwendung finden, wobei jede Linse eine Sammelwirkung in einer Ebene und eine damit verknüpfte Zerstreuungswirkung in einer zu dieser senkrechten Ebene hat, wobei die beiden Ebenen Axialebenen sind, d. h. die optische Achse der Linse enthalten. Wenn eine astigmatische Fokussierung des Bündels erforderlich ist, ist diese Anordnung noch vorteilhafter, weil die Fokussierung unabhängig in zwei zueinander senkrechten Axialebenen regelbar ist.
Bei andern Anwendungen braucht man eine einzige Vierpollinse wegen ihrer Zerstreuungswirkung.
Die ideale Feldgestaltung für eine Vierpollinse hat bekanntlich im Querschnitt ein gleichseitiges rechteckiges hyperbolisches Muster. Für andere Anwendungen als bei Elektronenstrahlröhren für Bildwiedergabe ist bereits angegeben, dass ein Muster dieser Art sich annähernd mit einem elektrostatischen Linsensystem erzielen lässt, das gleichachsige Innen- und Aussenrohre aufweist, wobei zwei flache rechteckige Fenster in einander gegenüberliegenden Teilen des Innenrohres angebracht sind. Wenn eine Potentialdifferenz zwischen dem Innen- und Aussenrohr erzeugt wird, hat das erhaltene Linsenfeld eine richtige Gestaltung in einem kleinen Gebiet nahe bei der optischen Achse, jedoch im grösseren Teil des Querschnittes des Innenrohres sind die Abbildungsfehler für Präzisionsanwendungen, z. B. Bündelfokussierung in einer Elektronenstrahlbildröhre, zu gross.
Die Erfindung bezweckt, ein verbessertes elektrostatisches Vierpollinsensystem mit einer Nutzöffnung grösseren Durchmessers zu schaffen.
Eine Elektronenstrahlröhre gemäss der Erfindung enthält eine vierpolige elektrostatische Elektronenlinse, die eine leitende Innenelektrode und eine leitende Aussenelektrode aufweist, wobei die leitende Innenelektrode rohrförmig ist und zwei Fenster aufweist, die einander gegenüber symmetrisch zu einer axialen Ebene angeordnet sind und beide durch eine zu dieser Ebene senkrechte axiale Ebene symmetrisch in zwei gleiche Teile geteilt werden.
und sie ist dadurch gekennzeichnet, dass jedes Fenster einen Öffnungswinkel in bezug auf die optische Achse von mehr als 900 aufweist, dass die Innenelektrode zu Korrektionszwecken leitende Ausläufer, die sich nahezu parallel zur optischen Achse in die Fenster erstrekken und/oder Hilfsöffnungen in den Teilen der Innenelektroden zwischen den Fenstern aufweist, welche Ausläufer und/oder Hilfsöffnungen symmetrisch gegenüber den beiden erwähnten Symmetriebenen lie-
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gen, und dass die leitende Aussenelektrode mindestens die Fenster und etwaige Hilfsöffnungen überdeckt.
Wenn geeignete Potentiale an die Elektroden angelegt werden, ist eine solche Linse eine Sammel- linse in einer der erwähnten axialen Symmetrieebenen und eine Zerstreuungslinse in der andern Ebene ; bequemlichkeitshalber werden diese Ebenen nachstehend als X-bzw. Y-Ebene bezeichnet.
Der vorstehende Ausdruck "überdecken" bedeutet, dass die Aussenelektrode sich wenigstens über ein
Gebiet erstreckt, das die gleiche axiale Länge und Lage hat wie jedes Fenster, während es im Querschnitt (senkrecht zur Achse) dem gleichen Winkel gegenüberliegt wie das Fenster. Das gleiche Kriterium gilt für etwaige Hilfsöffnungen. Diese Anforderungen sind Mindestanforderungen, die sich auf die Tatsache grün- den, dass das Hauptlinsenfeld (und entsprechend die korrigierende Wirkung etwaiger Hilfsöffnungen) von der
Eindringung des zwischen den beiden Elektroden erzeugten Feldes abhängt. Die Aussenelektrode kann z.
B. aus gesonderten Elektrodenelementen mit einem gewissen Mindestoberflächeninhalt bestehen, die (im
Betrieb) miteinander verbunden sind, so dass gleiche oder voneinander abhängige Potentiale an sämtli- chen Teilen liegen ; das Feld lässt sich jedoch dadurch unabhängiger von fremden Einwirkungen (z. B.
Wandladungen) machen, dass solche Elektrodenelemente grösser als die erwähnten Mindestoberflächen- inhalte ausgebildet sind, so dass jedes Element das betreffende Fenster bzw. die betreffende Hilfsöffnung überlappt. Im äussersten Fall wird die Aussenelektrode dabei ein ununterbrochenes Rohr.
Das Vorhandensein leitender Ausläufer verringert die Felddurchdringung, so dass bei gegebener Brennweite und bei gegebenem baulichem Querschnitt die axiale Länge der Linse gesteigert oder die Potential- differenz zwischen den Elektroden erhöht werden muss. Wenn (was den Vorzug verdient) die Elektroden so nahe beieinander liegen, dass eine Erhöhung der Potentialdifferenz Durchschlagsgefahr mit sich bringt, muss die axiale Länge der Fenster gesteigert werden, um die optische Linsenstärke gleich zu halten.
Die Innenelektrode kann ein einziges ununterbrochenes leitendes Element sein. Es ist jedoch auch möglich, eine Innenelektrode zu verwenden, die in gesonderte Teile unterteilt ist. Die Innenelektrode kann z. B. aus zwei gleichen Hälften bestehen, indem sie der Länge nach gemäss einer axialen Ebene geteilt ist. Dann kann eine Hilfspotentialdifferenz zwischen den beiden Hälften erzeugt werden, z. B. eine Wechselspannung zur Bündelablenkung oder eine Gleichspannung zur Bündelzentrierung.
Wie bereits erwähnt, weist jedes Fenster einen Öffnungswinkel in bezug auf die optische Achse von mehr als 900 auf, wobei für einen kreisförmigen Querschnitt der optimale Wert vom Verhältnis zwischen den Durchmessern der beiden Elektroden abhängt. Diese Tatsache trägt dazu bei, dass sich in nachstehend näher erläuterter Weise eine im wesentlichen hyperbolische Feldgestaltung über eine grosse Querschnittsfläche ergibt.
Wie bereits erwähnt, kann die Aussenelektrode aus gesonderten Elementen bestehen, wobei im Betrieb Verbindungen zwischen den wirksamen Elementen der Aussenelektrode hergestellt werden. die die Aufgabe haben, diese Elemente auf gleichen (oder in geeigneter Beziehung zueinander stehenden) Potentialen zu halten sie können Leiter, z. B. Drähte, oder Schaltelemente sein. Auch die Aussenelektrode kann aus zwei gleichen Hälften bestehen, indem sie der Länge nach gemäss einer axialen Ebene unterteilt ist, so dass eine Potentialdifferenz zwischen den beiden Hälften erzeugt werden kann.
Bei flachen, rechteckigen Fenstern ist es, sogar wenn sie einen Öffnungswinkel von mehr als 900 aufweisen, sehr schwierig, ausserhalb eines verhältnismässig kleinen mittleren Gebietes eine genaue Annäherung des idealen hyperbolischen Feldes zu erhalten.
Deshalb werden bei Linsen nach der Erfindung die leitenden Ausläufer und/oder Hilfsöffnungen vor- gesehen. Wenn eineFeldkorrektur ausschliesslich oder im wesentlichen in einer der Symmetrieebenen gefordert wird, kann es genügen, lediglich Ausläufer oder lediglich Hilfsöffnungen zu verwenden, z. B. im Falle, in dem das Bündel einen ausgesprochenen ovalen Querschnitt aufweist. Wenn jedoch ein hoher Genauigkeitsgrad sowohl in derX- als auch in der Y-Ebene erforderlich ist und/oder das Bündel einen kreisförmigen Querschnitt hat, ist es zweckmässig, nicht nur leitende Ausläufer sondern auch Hilfsöffnungen zu verwenden, um das Feld in einem im wesentlichen gleichen Masse in beiden Symmetrieebenen korrigieren zu können.
Der Querschnitt der Innen- und Aussenelektrode kann eine rechteckige oder andere vieleckige Form aufweisen, vorzugsweise jedoch sind die Elektroden zylindrisch mit kreisförmigem Querschnitt, und dies wird einfachheitshalber in der nachstehenden Beschreibung angenommen. Es wird auch angenommen, dass jedes Fenster zwei einander gegenüberliegende gerade Ränder hat, die sich parallel zur optischen Achse erstrecken und in bezug auf diese Achse einen Winkel von mehr als 900 einschliessen.
Die leitenden Ausläufer sind elektrisch mit der Innenelektrode verbunden und ihre Innenflächen können Halbmesser haben, die etwas vom Innenhalbmesser der Elektrode abweichen (von der optischen Achse her gemessen). Vorzugsweise weisen die Ausläufer jedoch den gleichen Halbmesser auf, weil in diesem
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Falle für die gleiche Linsenstärke eine niedrigere Potentialdifferenz angewendet werden kann. während es auch für einen gegebenen Gesamtdurchmesser eine maximale Nutzöffnung ergibt.
Ein leitender Ausläufer kann sich über einen verhältnismässig kleinen Abstand in das Fenster hineinerstrecken, er kann sich aber auch über die ganze axiale Länge eines Fensters in einer Richtung parallel zur optischen Achse erstrecken. Im letzteren Falle wird das Fenster durch das Vorhandensein mindestens eines solchen Ausläufers in mehrere Einzelfenster unterteilt sein.
Eine elektrostatische Linse vom vorstehend geschilderten Typ kann zusammen mit einer um 900 gedrehten zusätzlichen Vierpollinse vom gleichen oder von einem andern Typ angewendet werden, um eine Gesamtkonvergenz eines Bündels in zwei zueinander senkrechte) Ebenen zu bewirken. Insbesondere kann eine Linse nach der Erfindung in einer der geschilderten Ausführungsformen einer ähnlichen Linse folgen, wobei die beiden Linsen eine gemeinsame optische Achse haben, während ihre Fenster senkrecht zueinander liegen. Bei einer solchen Anordnung können die beiden Linsen eine gemeinsame rohrförmige Innenelektrode haben, in der die beiden Fensterpaare senkrecht zueinander und in einem gewissen Abstand voneinander angeordnet sind.
Die Aussenelektrode der beiden Linsen kann auch als ein einziges rohrförmiges Element ausgebildet sein. aber manchmal kann es gewünscht sein, gesonderte rohrförmige Elemente zu verwenden, so dass unterschiedliche Potentiale an die beiden gesonderten Aussenelektroden angelegt werden können.
Wenn eine solche Linse oder ein solches Paar um 900 gedrehter Linsen benutzt werden. um das Bündel einer Elektronenstrahlröhre für Fernseh-od. ähnl. Bildzwecke zu fokussieren, kann bzw. können die
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oder einen Teil einer Anode der Elektronenspritze bilden. Diese Anordnung ist besonders vorteilhaft, weil die Aussenelektrode dabei im gleichen Verfahren wie der üblicherweise auf die Innenseite des Konus einer Kathodenstrahlröhre aufgebrachte leitende Überzug vorgesehen werden kann.
Ein weiterer Vorteil der letzteren Anordnung besteht darin, dass die Leitfähigkeit der Aussenelektrode dabei leicht niedrig gewählt werden kann, wie dies zum Herabsetzen von Wirbelströmen in den Fällen erwünscht ist, in denen Ablenkspulen gegenüber der Aussenelektrode angeordnet sind. Manchmal ist es auch erwünscht, Wirbelstromverluste in der Innenelektrode auf ein Mindestmass zu beschränken. Es gibt jedoch Anwendungen, bei denen das Problem von Wirbelströmen nicht auftritt, z. B. bei Elektronenmikroskopen, die keine Abtastung verwenden.
Es dürfte einleuchten, dass die Polarität der Spannung zwischen den Elektroden die Orientierung der Linsenwirkung bestimmt ; wenn man zunächst von der Korrektur von Abbildungsfehlern absieht, kann die Orientierung der Linsenwirkung um 900 dadurch gedreht werden, dass die Polarität der angelegten Spannung umgekehrt wird.
Ein Fokussierungssystem mit zwei zueinander senkrechten Linsen von der vorstehend beschriebenen Art kann ohne weiteres zusammen mit einem üblichen Abtastsystem verwendet werden.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert, in der Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Elektronenspritze mit einer Vierpollinse darstellt, in der die Verbesserungen nach der Erfindung angewendet sind, Fig. 2 ein vergrösserter Querschnitt gemäss der Linie a-a der Fig. 1 ist, Fig. 3 eine weitere Ausführungsform einer Vierpollinse nach der Erfindung zeigt und Fig. 4 ein Querschnitt durch die Linse nach Fig. 3 gemäss der Linie IV - IV ist.
Die Elektronenspritze gemäss Fig. 1 hat ein Fokussierungssystem, das aus einer hinteren Linse mit flachen rechteckigen Fenstern, die in einem Winkel von mehr als 900 gegenüberliegen, und aus einer vorderen Linse besteht, die in bezug auf die hintere Linse um 900 gedreht ist und in der die Feldgestaltung dadurch verbessert ist, dass leitende Ausläufer und Hilfsöffnungen gemäss der Erfindung vorgesehen sind.
Bei der Anordnung der Fig. 1 und 2 hat die Elektronenspritze eine Kathode 1, der eine Intensitätsregelelektrode oder "Gitter" 2 und eine Sprühelektrode 3 folgt, wobei an letzterer das gleiche Potential liegt wie an der Kathode. Die Anode besteht aus einem Zylinder 4 kleineren Durchmessers, dem ein Zylinder 5 grösseren Durchmessers folgt. All diese Elemente werden von drei Isolierträgem 6 getragen und sind mit Hilfe von Zentrierfedern 8 zentral im Hals 7 der Röhre angeordnet.
Die elektrostatischen Fokussierungslinsen weisen eine äussere Elektrode auf, die aus einem für die beiden Linsen gemeinsamen Zylinder 10 mitkreisförmigem Querschnitt besteht, der mit Hilfe von Federn 11 zentral im Röhrenhals angeordnet ist. Dieser Zylinder ist mit einem Kontakt 13 verbunden.
Die Innenelektroden der zwei Linsen werden von einem gemeinsamen Bauteil gebildet, der zwei zueinander senkrechte Fensterpaare aufweist. Dieser Bauteil ist ein Metallzylinder 15 mitkreisförmigem Querschnitt, der fest mit der Anode 4,5 verbunden ist. Die Fenster 16 des ersten Paares sind flach und
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rechteckig und symmetrisch zu einer axialen Ebene X angeordnet, während sie von einer axialen Ebene Y halbiert werden. DieFenster 17 des zweiten Paares sind symmetrisch zur Ebene Y angeordnet, während sie durch die Ebene X halbiert werden. Die Fenster 17 sind im allgemeinen rechteckig und sind für Korrekturzwecke mit kleinen nach innen vorspringenden Teilen 18 in den Ecken und mit zwei leitenden Ausläufern 19 versehen, deren Achsen mit der Achse jedes Fensters zusammenfallen.
Weitere Korrekturmittel sind vorgesehen in Form von vier kleinen rechteckigen Hilfsöffnungen 20 in gleichen Abständen von den Fenstern 17. Die erste Linse 16 hat nicht solche Korrekturmittel, weil das . Bündel einen sehr geringen Durchmesser hat und im zentralen Teil des Linsenfeldes liegt, der fehlerfreier ist.
Am vorderen Ende ist die Elektrode 15 elektrisch und mechanisch mit einem Metallkonus 22 verbunden, der durch Federn 23 zentriert ist, die zusammen mit den Stutzen 6 und Federn 8 das ganze Elektro densystem im wesentlichen koaxial zum Röhrenhals halten. Ein Teil des an den Hals anschliessenden Konus der Hülle ist bei 24 zu sehen. Der Konus 24 hat einen Innenüberzug 25 aus einem leitenden Material, z. B.
"Aquadag", und dieser Überzug überlappt den Metallkonus 22 und ist mit ihm verbunden, so dass die Bildung eines kugelförmigen Linsenfeldes verhütet wird.
Geeignete Abmessungen für das Gebilde nach Fig. 1 und 2 sind z. B. :
Abstand des Leuchtstoffschirmes von der Kathode = 280 mm,
Innendurchmesser des Zylinders 10 = 29 mm,
Aussendurchmesser des Zylinders 15 = 25 mm,
Dicke des Zylinders 15 = 0, 375mm ;.
Abmessung A = 152, 4 mm,
B = 52,0 mm, C = 42, 0 mm,
D = 17 mm,
E = 117 mm,
F = 48,5 mm, G = 14, 5 mm,
H = 14, 1 mm,
I = 15 mm, J = 18 mm, K = 1, 75 mm,
L = 1 mm, M = 1, 75 mm,
N = 2 mm, 0 = 16,25 mm,
P = 14,5 mm,
Q = 22 mm.
Wenn diese Abmessungen angewendet werden, sind die nachstehenden Spannungen geeignet. Die Kathode kann Erdpotential aufweisen, während an der Anode (zusammen mit der Innenelektrode 15 und dem Überzug 25) ein Potential von 18 kV und an der Aussenelektrode 10 der Linsen ein Potential von etwa 10 kV liegt.
Wenn die axiale Länge der Öffnungen 16,17 verringert wird, kann das Bündel im gleichen Abstand fokussiert werden, während an den Aussenzylinder ein Potential angelegt wird, das nahezu gleich dem Potential der Kathode ist, anstatt des vorstehend erwähnten Potentials von 10 kV. Dadurch kann eine der
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Hochspannungsquellen wegfallen, während eine Feinregelung der Fokussierung dadurch durchgeführt werden kann, dass eine veränderliche Spannung zwischen den Aussenzylinder 10 und die Kathode gelegt wird.
Die geschilderte Anordnung liefert einen Leuchtfleck, der in einer Richtung etwas gedehnt ist, jedoch keinen Astigmatismus besitzt. Für einige Anwendungen ist diese Dehnung des Fleckes vorteilhaft, aber wenn die Röhre zu einem Zweck benutzt wird, bei dem diese langgestreckte Form nachteilig ist, so kann diese durch Zusatz einer dritten Linse beseitigt werden, die die gleiche Orientierung hat wie die Linse mit den Öffnungen 16 (die der Kürze halber nachstehend als die Linse 16 bezeichnet wird) und an der von der Elektronenspritze abgewendeten Seite der Linse 17 liegt. Dabei wird die Linse 16 optisch schwächer sein ; die zusätzliche Linse kann dabei auch schwächer als die Linse 17 sein.
Dieses System kann so ausgebildet werden, dass bei unveränderter Linse 17 die Linse 16 und die zusätzliche Linse eine solche optische Stärke erhalten, dass sich ein fokussierter Fleck ergibt, der gleiche Abmessungen in der X und in der Y-Ebene hat.
Bei der Anordnung nach Fig. 1 können (nicht dargestellte) Ablenkspulen zwischen dem vorderen Rand der Öffnung 17 (d. h. dem von der Spritze abgewendeten Rand) und dem Anfang des Konus 24 der Hülle angebracht sein. Mit Rücksicht auf das obenerwähnte Wirbelstromproblem ist es erwünscht, die Leitfähigkeit des Aussenzylinders 10 und des Innenelektrodensystems 15,22 (oder wenigstens des Vorderteiles dieses Systems) herabzusetzen. Dies kann dadurch erfolgen, dass der Aussenzylinder 10 als ein Überzug auf der Innenfläche eines Glashalses mit kleinerem Durchmesser ausgebildet wird. Ähnlicherweise kann das Innenelektrodensystem 15,22 in Form eines mit einem leitenden Innenüberzug versehenen Isolierrohres ausgebildet sein, in dessen zylindrischer Wand Öffnungen 16,17 angebracht sind.
Wenn die Teile 10,15 und 22 aus Metall bestehen, das nicht dünn genug ist, um das Auftreten störend grosser Wirbelströme zu verhindern, können auch enge Längsschlitze in den Vorderteilen der Zylinder 10. 15 vorgesehen werden, wobei diese Schlitze eng genug sein müssen, um eine Feldeindringung im wesentlichen zu verhüten, und sich vorzugsweise bis zum Vorderrand des Elementes 22 erstrecken sollen, so dass sie an einem Ende offen sind.
Fig. 2 erläutert die korrigierende Wirkung der Ausläufer 19 und Öffnungen 20 auf die Feldgestaltung, und zeigt die Änderung einer Äquipotentialfläche durch die Ausläufer 19 der Fig. 1. Beim Fehlen dieser Ausläufer würden dieseÄquipotentialflächen die gestrichelt angegebene Form haben. Wenn die Umfangsabmessung eines solchen Ausläufers klein ist, ist sie nicht kritisch, und eine Verringerung dieser Abmes sung kann die korrigierende Wirkung nicht unter einen Mindestpegel senken.
Fig. 2 zeigt auch die Wirkung der Öffnungen 20 der Fig. 1. In diesem Falle wird die Änderung der Feldgestaltung durch die Teile 6 der Äquipotentialflächen in der unteren Hälfte dargestellt.
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ist es möglich. einteilt. Die Fenster sind Öffnungen in einem Metallzylinder 115 und die Korrekturschlitze 120 sind im gleichen Zylinder angebracht.
Das Hauptmerkmal der dargestellten Linse sind die Winkel, unter denen die Stäbe 119 und Schlitze 120 zueinander angeordnet sind, während das Verhältnis der Durchmesser des Innen-und Aussenrohres weniger kritisch ist. Die betreffenden Winkel sind :
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Winkel 83 (Öffnungswinkel eines Fensters) = 950,
Breitenwinkel eines Stabes 119 = etwa 4, 70, Öffnungswinkel eines Schlitzes 120 = etwa 3, 70.
In einem praktischenAusfilhrungsbeispiel können die Durchmesser einer Linse mit diesen Winkeln die folgenden sein :
Innendurchmesser des Aussenrohres = 31, 0 mm,
Aussendurchmesser des Innenrohres = 24, 5 mm,
Dicke des Innenrohres = 0. 375mm.
Die Linse der Fig. 3 und 4 kann ausser den Stäben 119 und Schlitzen 120 kurze Korrekturausläufer und Öffnungen aufweisen, die z. B.. denjenigen der Linse 17 der Fig. 1 entsprechen.
Eine korrigierte Linse, wie sie in bezug auf die Fig. 3 und 4 beschrieben worden ist, kann um 900 gedreht gegenüber und in Verbindung mit einer zusätzlichen Linse Verwendung finden, die der Linse 16 der Fig. l entspricht und an der der Elektronenspritze zugewendeten Seite dieser Linse liegt. Eine solche zusätzliche Linse kann jedoch auch die Form der vorderen Linse 17 der Fig. l oder die in den Fig. 3 und 4 dargestellte Form aufweisen. In einem bestimmten Falle kann eine Linse von der an Hand der Fig. 3 und 4 beschriebenen Art die vordere Linse 17 des Systemes gemäss Fig. l ersetzen, wobei die erwähnten Ab-
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