DE102008027518B3

DE102008027518B3 - Spiegelobjektiv

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Publication number: DE102008027518B3
Application number: DE200810027518
Authority: DE
Inventors: Kristof Seidl; Jens Dr. Knobbe; Heinrich Dr. Grüger; Thomas Egloff
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2008-06-10
Filing date: 2008-06-10
Publication date: 2010-03-25
Anticipated expiration: 2028-06-11

Abstract

Zentralabschattungsfreies Spiegelobjektiv mit einem variablen Bildwinkel, das einen ersten Spiegel, der als deformierbarer Spiegel ausgelegt ist, einen zweiten Spiegel, dessen Spiegelfläche eine asphän Spiegelfläche eine asphärische Form aufweist und einen vierten Spiegel, der als deformierbarer Spiegel ausgelegt ist, umfasst, wobei der erste bis vierte Spiegel so angeordnet sind, dass zumindest zwei Spiegel der ersten bis vierten Spiegel eine unterschiedliche optische Achse aufweisen. Des Weiteren erstreckt sich ein gefalteter Strahlengang von dem ersten Spiegel über den zweiten Spiegel und über den dritten Spiegel zu dem vierten Spiegel, wobei der erste bis vierte Spiegel so angeordnet und geformt sind, dass sich in dem Strahlengang zwischen dem ersten Spiegel und dem vierten Spiegel keine Zwischenabbildung befindet. Dabei sind der erste und der vierte Spiegel so deformierbar, dass durch eine Deformation der Spiegelfläche des ersten Spiegels kombiniert mit einer Deformation der Spiegelfläche des vierten Spiegels der Bildwinkel des Objektivs verändert wird und dabei eine Position einer Bildebene des zentralabschattungsfreien Spiegelobjektivs in einem Bereich einer Schärfentiefe unverändert bleibt.

Description

Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung beziehen sich auf ein zentralabschattungsfreies Spiegelobjektiv mit einem variablen Bildwinkel, das zumindest vier Spiegel umfasst, von denen zwei Spiegel als deformierbare Spiegel ausgelegt sind.
Einige Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung beziehen sich auf ein Spiegelzoomobjektiv. Der Begriff „Zoomen” bedeutet dabei eine veränderbare Einstellung des Bildwinkels und damit auch der Systembrennweite.
Die Möglichkeit den Bildwinkel und damit die Vergrößerung einer optischen Abbildung gezielt einstellen zu können, hat zu einem breiten Einsatz solcher Systeme geführt. In der technischen und nicht technischen Fotografie über die Automatisierungstechnik und Bildverarbeitung bis hin zur Feldüberwachung und Fernerkundung werden Objektive dieses Typs eingesetzt.
Die unterschiedlichen Anwendungen sind dabei in einem weiten Spektralbereich anzutreffen. Er erstreckt sich vom Ultravioletten (UV) über das Sichtbare (VIS) bis in den infraroten Bereich (IR). Während normale Fotografie und Automatisierungstechnik oft das VIS verwenden, sind Feldüberwachung und Fernerkundung häufig auch im IR üblich.
Die Einstellungen des Bildwinkels und damit auch der Systembrennweite (das so genannte „Zoomen”) kann grundsätzlich durch Verschieben optischer Funktionselemente im Objektiv oder durch Änderung ihrer Eigenschaften, wie z. B. die Brechkraft einer Linse, erreicht werden.
Der Bildwinkel bzw. Objektivwinkel gibt den Raumbereich an, aus dem Strahlung entlang eines Strahlengangs durch das Objektiv auf eine Bildebene fällt. Eine kleine Systembrennweite hat einen großen Bildwinkel und eine große Systembrennweite einen kleinen Bildwinkel zur Folge.
Spiegelobjektive mit festen Brennweiten, also festem Bildwinkel, sind seit langem bekannt und finden vor allem als langbrennweitige Ausführungen als Bildaufnahme- und Beobachtungsobjektive in der Fotografie und Astronomie Anwendung.
Optische Systeme, deren Funktionselemente nur auf Reflexion basieren, haben den Vorteil, keine chromatischen Aberrationen zu erzeugen und damit für einen breiten Spektralbereich (UV über VIS bis IR) anwendbar zu sein. Durch den Wegfall chromatischer Aberration wird hier häufig eine höhere Bildgüte im Vergleich zu refraktiven Systemen erzielt. Zudem besitzen sie gegenüber letztgenannten den Vorteil einer geringeren Masse und oftmals auch kostengünstigerer Herstellung.
Grundsätzlich können Objektive nach ihrem Aufbau beispielsweise als On-Axis-Systeme bzw. axiale Systeme, Off-Axis-Systeme bzw. außeraxiale Systeme oder Schiefspiegler unterschieden werden.
Bei einer zentrierten Folge aus Rotationsflächen können deren Krümmungsmittelpunkte auf einer Geraden liegen, die die optische Achse der Flächenfolge darstellt. Solche Systeme werden auch als On-Axis-Systeme bzw. axiale Systeme genannt.
Spiegelsysteme, deren Funktionselemente zwar eine gemeinsame optische Achse besitzen, jedoch zumindest teilweise asymmetrische und damit außeraxiale Flächenstücke der Funktionselemente nutzen, werden auch Off-Axis-Systeme bzw. außeraxiale Systeme genannt.
Objektive, bei denen zumindest zwei der optischen Funktionselemente keine gemeinsame optische Achse aufweisen, werden als Schiefspiegler bezeichnet.
Die oben genannten Spiegelobjektive, insbesondere für astronomische Anwendungen, sind meist rotationssymmetrisch bezüglich einer gemeinsamen Symmetrieachse, die, wie z. B. in „Heinz Haferkorn, Optik – Physikalisch-technische Grundlagen und Anwendungen, 3., bearbeitete und erweiterte Auflage, Leipzig; Berlin; Heidelberg; Barth, 1994” näher erläutert, als optische Achse bezeichnet wird („On-Axis-Systeme”, axiale Systeme). Daraus resultiert eine Zentralabschattung des Strahlengangs, die sich konstrastmindernd und damit negativ auf die Bildgüte auswirkt. Ein zentriertes Spiegelobjektiv mit Zentralabschattung ist beispielsweise in der DE 2916192 C2 gezeigt.
Unter zentralabschattungsfrei versteht man, dass die Elemente eines Objektivs so angeordnet sind, dass ein zentral einfallendes Strahlenbündel entlang des Strahlengangs ungehindert die Bildebene erreicht.
Seltener sind Spiegelsysteme, deren Funktionselemente zwar eine gemeinsame optische Achse besitzen, jedoch zumindest teilweise asymmetrische und damit außeraxiale Flächenstücke der Funktionselemente nutzen („Off-Axis-Systeme”, außeraxiale Systeme, beispielsweise gezeigt in der DE 2916192 C2 , in der US 4598981 , in „Giampiero Naletto, Vania Da Deppo, Maria Guglielmina Pelizzo, Roberto Ragazzoni und Enrico Marchetti, Optical design of the Wide Angle Camera for the Rosetta mission, Applied Optics Bd. 41, Nr. 7, 1. März 2002”, in „Dietrich Korsch, Design and optimization technique for three-mirror telescopes, Applied Optics Bd. 19, Nr. 21, 1. November 1980”, in „Dietrich Korsch, Reflective Optics, ISBN 0124211704, Academic Press, London 1991” gezeigt). Sie bestehen demnach aus einer Folge von zentrierten Rotationsflächen deren Krümmungsmittelpunkte auf einer Geraden liegen, wobei jedoch die mechanische Mitte der optischen Elemente nicht mit der optischen Achse zusammenfällt.
Eine weitere Klasse von Spiegeloptiken stellen die so genannten Schiefspiegler dar, wie beispielsweise die DE 4314499 A1 , DE 4426224 A1 und DE 19925931 C2 zeigen. Dies sind Systeme, die keine gemeinsame optische Achse besitzen, da die Krümmungsmittelpunkte der Spiegelflächen nicht auf einer Geraden liegen.
Um in solchen Systemen die prinzipbedingten großen geometrischen Abbildungsfehler, insbesondere den Astigmatismus, korrigieren zu können, haben Schiefspiegler oft nur geringe Öffnungen bzw. Blendenzahlen bzw. Anfangsöffnungen (definiert als Quotient von Systembrennweite und Durchmesser der Eintrittspupille) von etwa 8 bis 20 und sind deshalb lichtschwach. Die Korrektur von Abbildungsfehlern in diesen Schiefspiegelsystemen erfordert oft noch zusätzliche Maßnahmen. Speziell ein als Yolo-Schiefspiegler bekannter Aufbau benutzt zusätzlich zur Korrektur von axialem Astigmatismus einen torisch geformten Sekundärspiegel, wie bei „Herwin G. Ziegler, Das Yolo-System, URL: http://www.astronomie.info/sag/yolo, Zugriff: 1/2008” gezeigt.
Ein Off-Axis-System mit großem Bildwinkel und einer Blendenzahl von 4 ist beispielsweise in der US 5144476 A zu finden. In „Giampiero Naletto, Vania Da Deppo, Maria Guglielmina Pelizzo, Roberto Ragazzoni und Enrico Marchetti, Optical design of the Wide Angle Camera for the Rosetta mission, Applied Optics Bd. 41, Nr. 7, 1. März 2002” ist ein weiteres Off-Axis-System mit einem vergleichbaren Bildwinkel und einer Anfangsöffnung 3,2 dargestellt.
Neben den Systemen mit fester Brennweite sind auch einige Systeme mit variabler Brennweite (Zoomsysteme) bekannt. Zu diesen gehören beispielsweise langbrennweitige Spiegelzoom objektive, bei denen die Zoomwirkung durch eine Verschiebung einzelner Spiegel bzw. Spiegelgruppen erreicht wird, wie z. B. in der US 5144476 A , in „Jung Chang, Zongtian Wang, Tingcheng Yhang, M. M. Talha, All reflective zoom Systems for infrared optics, International Optical Design Conference 2006, SPIE-OSA Bd. 6.342”, in „Allen Mann und R. Barry Johnson, Design and analysis of a compact, wide field, unobscured zoom mirror System, SPIE Bd. 3.129”, in „R. Barry Johnson and Allen Mann, Evolution of a compact, wide field-of-view, unobscured, all-reflective zoom optical System, SPIE Bd. 3.061”, in „R. Barry Johnson, Unobscured reflective zoom Systems, SPIE Bd. 2.539”, in „R. Barry Johnson, James B. Hadaway und Tom Burleson, All-Reflective Four-Element Zoom Telescope: Design and Analysis, SPIE Bd. 1.354”, in „Thomas H. Jamieson, Zoom Optics with Off-set Cassegrain and Reflective Relay, SPIE Bd. 2.539”. Diese Systeme haben den großen Nachteil, dass eine präzise Führung und mechanische Verschiebung der oft großen und schweren Spiegel sehr aufwändig ist. Hinsichtlich mechanischer (Langzeit-)Stabilität und Präzision sind optische Bauelemente ohne makroskopische Verschiebungen, also z. B. solche, die eine gezielt veränderbare Brechkraft aufweisen, von Vorteil.
Zoomobjektive, die optische Elemente mit veränderbaren Brechkräften enthalten, basieren oftmals auf der Verwendung von so genannten Flüssiglinsen und stellen somit keine rein reflektiven Systeme dar. Diese optischen Funktionselemente bestehen im Wesentlichen aus zwei nicht mischbaren, in einem Hohlraum eingeschlossenen Flüssigkeiten, deren Grenzfläche brechende Wirkung hat und sich in ihrer Krümmung und damit der Brechkraft gezielt verändern lässt. Es ist grundsätzlich zu unterscheiden zwischen Hybridsystemen (Mischsystemen), bei denen Flüssiglinsen und verschiebbare Gruppen kombiniert werden, wie beispielsweise in der US 6464363 B1 oder in „F. C. Wippermann, P. Schreiber, A. Bräuer, B. Berge, Mechanically assisted liquid lens zoom System for mobile phone cameras, Proc. of SPIE Bd. 6.280, 2006” und Systemen ohne verschiebbare Komponenten, wie z. B. in der WO 2004038480 A1 , US 2007104473 A1 , US 6464363 B1 oder in „S. Kuiper, B. H. W. Hendriks, J. F. Suijver, S. Deladi, I. Helwegen, Zoom camera based on liquid lenses, Proc. of SPIE Bd. 6.466, 2007” gezeigt. Flüssiglinsen sind jedoch, wie alle brechenden optischen Funktionselemente, grundsätzlich mit wellenlängenabhängigen Abbildungsfehlern behaftet. Zudem sind sie nur in Spektralbereichen einsetzbar, in denen sie eine ausreichende Transmission aufweisen.
Weiterhin ist eine geringe Anzahl von ausschließlich auf Reflexion basierenden Zoomsystemen unter Verwendung deformierbarer Spiegel zur Änderung der Brennweite aus der Literatur bekannt, wie beispielsweise in der DE 2916192 C2 gezeigt. Zoomobjektive, nach der in der DE 2916192 C2 beschriebenen Bauart, weisen zwei deformierbare Spiegel auf. Sie besitzen den Nachteil, dass lediglich für maximal zwei Brennweiten des gesamten Zoombereichs ein bestimmter Abbildungsfehler, die so genannte Bildfeldwölbung, korrigiert werden kann (siehe „F. C. Wippermann, P. Schreiber, A. Bräuer, P. Craen, Bifocal liquid lens zoom objective for mobile phone application, Proc. of SPIE-IS&T Electronic Imaging, SPIE Bd. 6.501, 2007”). Da keine zusätzlichen Spiegel vorgesehen sind, um die Brechkräfte aufzuteilen, kann bei den übrigen Brennweiten des Zoomobjektivs eine starke Bildfeldwölbung entstehen, die zu einer deutlichen Degradation der Abbildungsqualität führen kann.
In der US 4059346 A und in der US 2006170766 A1 sind zwei Varianten, ein On-Axis-System und ein Schiefspiegelsystem, mit zwei deformierbaren Spiegeln beschrieben. Die dort angedeuteten Spiegelanordnungen besitzen jedoch Abbildungsfehler, welche die Abbildungsqualität deutlich reduzieren. Des Weiteren sind die beschriebenen Systeme teilweise nicht abschattungsfrei oder verwenden zusätzliche refraktive optische Elemente.
Aufwändigere optische Anordnungen, welche mindestens zwei aktive optische Elemente aufweisen, sind beispielsweise in der US 6977777 B1 gezeigt. Diese Anordnungen beinhalten weitere optisch passive Elemente, wie beispielsweise Linsen, Spiegel oder Strahlteiler. Die Systeme sind jedoch mit einem für viele Anwendungen zu kleinem Bildfeld von circa 0,05° für die kürzeste Brennweite beschrieben. Zusätzlich weisen die beschriebenen Aufbauten teilweise Zwischenbildebenen im Strahlengang zwischen den Spiegeln auf, was ein größeres Bauvolumen zur Folge hat als bei einem System ohne Zwischenbildebene. Eine äquivalente Veröffentlichung zu der US 6977777 B1 ist beispielsweise „Wick, et al: Active optical zoom system, SPIE Vol. 5798.2005”. Dort ist zum Beispiel der große Platzbedarf des Aufbaus und der beachtliche elektronische Aufwand gezeigt.
Die im oben genannten Patent verwendeten aktiven oder adaptiven Spiegel weisen gegenüber Spiegel, bei denen lediglich die Krümmung geändert werden kann, eine zusätzliche Funktionalität auf. Mit Hilfe einer Vielzahl mikromechanischer Aktuatoren kann das Spiegelprofil gezielt auch in höheren Ortsfrequenzen verändert werden und somit eine Korrektur der vom Zoomzustand abhängigen Abbildungsfehler durchgeführt werden. Mit diesem Ansatz ist es grundsätzlich möglich, die Bildgüte in einem Schiefspiegelzoomsystem deutlich zu steigern. Der gravierende Nachteil besteht jedoch darin, dass die hierfür benötigen adaptiven Spiegel sehr kompliziert und deshalb kostenintensiv in der Herstellung sind und eine komplexe elektronische Ansteuerung erforderlich ist. Spiegel mit segmentierten Aktuatoren besitzen meist eine Auslenkung von wenigen Mikrometern und sind sehr aufwendig in der Ansteuerung. Der Füllfaktor der Spiegel lässt meist keinen stark gefalteten Strahlengang zu. Somit sind mit diesen Bauelementen kostengünstige Systeme mit moderatem Bauvolumen und einem weiten Bereich der Brennweitenänderung nicht realisierbar.
Weitere Beispiele von Zoomsystemen auf Basis deformierbarer Spiegel sind in der US 2006170766 A1 aufgeführt. Es handelt sich dort jedoch größtenteils um komplexere Aufbauten, in denen zusätzliche Linsen und Strahlteiler enthalten sind. Die im Weiteren angedeuteten rein reflektiven Systeme besitzen aufgrund der Spiegelanordnung eine geringe Abbildungsqualität.
Des Weiteren beschreiben beispielsweise die US 6464363 B1 , die US 7025468 B2 und die US 20060187563 A1 dezentrierte Systeme mit Elementen variabler optischer Eigenschaften. Die darin speziell vorgestellten Lösungen erfordern für den deformierbaren Spiegel eine rotationsunsymmetrische Freiform, die mathematisch über Polynome bis mindestens zum Grad 15 realisiert wird. Während der Deformation ändern sich alle Parameter des Polynoms. Die Realisierung und Ansteuerung eines solchen Spiegels ist enorm aufwändig. Der in der US 6464363 B1 in 64 einzige, dargestellte und beschriebene, rein reflektive Zweispiegler-Ansatz mit einem deformierbaren Spiegel zeigt auf der Abbildung starke geometrische Abbildungsfehler. Zur Korrektur dieser Abbildungsfehler werden bei den anderen Beispielen weitere Linsen und prismatische Körper verwendet, welche zusätzliche chromatische Aberration verursachen. Die in der US 6464363 B1 dargestellten Zoomsysteme verwenden zur Änderung der Systembrennweite einen deformierbaren Spiegel und zusätzlich verschiebbare Linsengruppen.
Neben der bereits beschriebenen Vielzahl an Systemen sind auch unterschiedlichste makroskopische Ansätze für deformierbare Spiegel und deren Aktuation bekannt. In der US 683163 A beispielsweise werden Membranspiegel fluidisch oder in der US 3972600 A pneumatisch verkrümmt.
In der DE 3012830 C2 wird eine piezoelektrisch, variabel verkrümmbare Bimorphplatte beschrieben. In der DE 4236355 C2 wird ebenfalls ein mittels Piezoaktoren verformbarer Spiegel beschrieben. Er besteht aus einer zwischen zwei Ringschneiden eingespannten dünnen Platte, deren Verformung durch Aktuatoren aus Piezostapeln herbeigeführt wird.
Schließlich findet man in „W. Greger u. a., Low-cost deformable mirror for laser focusing, Proc. of SPIE Bd. 6.374, 2006” eine Beschreibung von elektromagnetisch aktuierbaren Polymerspiegeln.
Weitere Beispiele sind in den Patentschriften EP 152268 B1 , US 5170284 A , US 2004227838 A1 , US 2007109667 A1 , US 7265911 B2 , WO 2005069054 A2 , DE 10 2005 030 001 A1 und WO 2006103290 A1 , sowie in „David V. Wick, Ty Marinez, Don M. Payne, William C. Sweatt und Sergio R. Restaino, Active optical zoom Systems Spaceborne Sensors II, Proc. of SPIE Bd. 5.798” und in „J. Michael Rodgers, Unobscured mirror designs, International Optical Design Conference, 2002, Proc. of SPIE Bd. 4.832” zu finden.
Die US 2008/0088811 A1 zeigt eine Abbildungs- oder Belichtungsvorrichtung, die u. a. ein optisches Projektionssystem mit einer Serie von Spiegeln aufweist, wovon zumindest zwei deformierbar sind. Das optische Projektionssystem besitzt eine gemeinsame optische Achse und die beiden deformierbaren Spiegel sind hintereinander als die beiden letzten Spiegel im Strahlengang angeordnet.
Die deformierbaren Spiegel haben in diesem Lithographiesystem die Aufgabe, Abbildungsfehler möglichst gut zu kompensieren.
Des Weitern zeigt die US 6 721 510 B2 ein atmosphärisches optisches Datenübertragungssystem, das mehrere Sende-/Empfangsgeräte aufweist. Jedes dieser Sende-/Empfangsgeräte umfasst dabei genau einen deformierbaren Spiegel.
Zusätzlich zeigt die DE 197 31 964 A1 ein Spektrometer mit einem asphärischen Spiegel mit großer Fläche und hoher Genauigkeit. Das Spektrometer umfasst eine Lichtquelle, ein spektroskopisches Element und einen reflektierenden Spiegel. Der reflektierende Spiegel wird durch Aufbringen einer äußeren Kraft auf eine vorgegebene Platte in seine asphärische Form gebracht.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein kontrastreiches Zoomobjektiv mit hoher Bildqualität zu schaffen, das für einen großen Wellenlängenbereich ausgelegt ist und dabei kompakt und/oder kostengünstig herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird durch ein zentralabschattungsfreies Spiegelobjektiv mit einem variablen Bildwinkel gemäß Anspruch 1 gelöst.
Ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung schafft ein zentralabschattungsfreies Spiegelobjektiv mit einem variablen Bildwinkel, das einen ersten Spiegel, der als deformierbarer Spiegel ausgelegt ist, einen zweiten Spiegel, dessen Spiegelfläche eine asphärische Form aufweist, einen dritten Spiegel, dessen Spiegelfläche eine asphärische Form aufweist, und einen vierten Spiegel, der als deformierbarer Spiegel ausgelegt ist, umfasst. Dabei ist der erste bis vierte Spiegel so angeordnet, dass zumindest zwei Spiegel der ersten bis vierten Spiegel eine unterschiedliche opti sche Achse aufweisen, und dass sich ein gefalteter Strahlengang von dem ersten Spiegel über den zweiten Spiegel und über den dritten Spiegel zu dem vierten Spiegel erstreckt. Des Weiteren ist der erste bis vierte Spiegel so angeordnet und geformt, dass sich in dem Strahlengang zwischen dem ersten Spiegel und dem vierten Spiegel keine Zwischenbildebene befindet. Zusätzlich ist der erste und der vierte Spiegel so deformierbar, dass durch eine Deformation der Spiegelfläche des ersten Spiegels kombiniert mit einer Deformation der Spiegelfläche des vierten Spiegels der Bildwinkel des Objektivs verändert wird und dabei eine Position einer Bildebene des zentralabschattungsfreien Spiegelobjektivs in einem Bereich einer Schärfentiefe unverändert bleibt.
Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung basieren auf dem Kerngedanken, ein zentralabschattungsfreies Spiegelobjektiv mit einem variablen Bildwinkel unter Verwendung von vier Spiegeln zu schaffen, wobei zur Veränderung des Bildwinkels zwei der vier Spiegel als deformierbare Spiegel ausgebildet sind. Die Spiegel sind dabei so angeordnet, dass zumindest zwei der vier Spiegel des Spiegelobjektivs eine unterschiedliche optische Achse aufweisen, was einem Schiefspiegleraufbau entspricht. Dadurch können der erste bis vierte Spiegel so angeordnet werden, dass das Spiegelobjektiv zentralabschattungsfrei und somit viel kontrastreicher als Systeme mit Zentralabschattung ist.
Die Verwendung von reflektiven optischen Elementen ermöglicht es wellenabhängige Abbildungsfehler bzw. eine chromatische Aberration zu verhindern. Das Spiegelobjektiv ist daher in einem großen Wellenlängenbereich des elektromagnetischen Spektrums einsetzbar.
Eine Reduktion des Bauvolumens kann dadurch erreicht werden, dass der erste bis vierte Spiegel so angeordnet und geformt ist, dass sich in dem Strahlengang zwischen dem ersten Spiegel und dem vierten Spiegel keine Zwischenbild ebene befindet. Eine Zwischenbildebene würde den optischen Weg zwischen dem ersten Spiegel und dem vierten Spiegel vergrößern und die Spiegel müssten somit in einem größeren Abstand voneinander angeordnet werden. Durch die erfindungsgemäße Anordnung des ersten bis vierten Spiegels, die keine Zwischenbildebene aufweist, kann somit ein kompaktes Spiegelobjektiv geschaffen werden.
Durch die Verwendung eines asphärischen zweiten Spiegels und eines asphärischen dritten Spiegels können Abbildungsfehler, wie beispielsweise der Astigmatismus, über den gesamten Brennweitenbereich bzw. über den Variationsbereich des Bildwinkels ausreichend korrigiert werden und somit eine für die Kameratechnik übliche Bildqualität geliefert werden.
Auf Reflexion basierende optische Systeme haben im Vergleich zu Systemen, die brechende optische Funktionselemente, wie z. B. Linsen, aufweisen, den Vorteil keine chromatischen Bildfehler zu erzeugen. Deshalb sind sie in der Regel für einen sehr viel breiteren Spektralbereich, der sich von dem Ultravioletten (UV) über das Sichtbare (VIS) bis ins Infrarote (IR) erstrecken kann, einsetzbar. Für viele Anwendungen, insbesondere solche mit multispektralen und spektral breitbandigen Anforderungen, sind Spiegeloptiken refraktiven Systemen deshalb überlegen.
Weiterhin haben Spiegelobjektive oft eine geringere Masse als Linsenobjektive und sind zudem auch kostengünstiger zu fertigen.
Des Weiteren sind bei Spiegelobjektiven keine aufwändigen Entspiegelungsschichten notwendig.
In Verbindung mit wenigen optischen Flächen und einem Schiefspiegleransatz können störende Reflexe, wie sie häufig in refraktiven Systemen auftreten, vollständig vermieden werden. Damit eignet sich das Spiegelzoomobjektiv beispielsweise zur Bildaufnahme in Verbindung mit hochdynamischen, logarithmisch arbeitenden Bildsensoren.
Des Weiteren wird mit diesem Ansatz beispielsweise der so genannte Narcissus Effekt beseitigt. Der Narcissus Effekt tritt hauptsächlich bei Infrarotobjektiven auf und wird durch vom Bildwinkel abhängige störende Rückreflexe verursacht, wobei dadurch Geisterbilder auf dem Detektor entstehen können.
Das Schiefspiegelzoomobjektiv vereint somit unter anderem die oben genannten Vorteile einer Spiegeloptik gegenüber refraktiven Systemen mit der Verwendung deformierbarer Spiegel zur gezielten Einstellung des Bildwinkels.
Bei einigen Ausführungsbeispielen gemäß der Erfindung weisen die deformierbaren Spiegel rotationssymmetrische Spiegelflächen auf. Trotz der Verwendung von rotationssymmetrischen deformierbaren Spiegel weist das Spiegelobjektiv im Gegensatz zu einer Vielzahl bestehender Systemansätze einen außerordentlich hohen optischen Korrektionsgrad und damit eine hohe Bildgüte über den gesamten Brennweitenbereich bzw. Bildwinkelbereich auf. Der Einsatz von rotationssymmetrisch deformierbaren Spiegeln hat zusätzlich den Vorteil, dass diese Spiegel mit wenigen Aktuatoren auskommen und somit einen einfachen Aufbau und eine einfache Ansteuerung aufweisen. Dadurch kann das Bauvolumen verringert und die Kosten gesenkt werden.
Einige Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung beziehen sich auf ein abschattungsfreies Spiegelzoomobjektiv, welches mit insgesamt vier Spiegeln, zwei davon deformierbar, eine über den gesamten Brennweitenbereich für die Kameratechnik übliche Bildqualität liefert.
Bei einigen Ausführungsbeispielen gemäß der Erfindung wird durch die Verwendung von deformierbaren Spiegeln als ersten Spiegel und als vierten Spiegel ein veränderbarer Bildwin kel und somit eine einstellbare Systembrennweite ermöglicht. Diese Veränderung des Bildwinkels erfolgt durch eine Deformation der Spiegelfläche des ersten Spiegels kombiniert mit einer Deformation der Spiegelfläche des vierten Spiegels. Die Position der Bildebene des Spiegelobjektivs bleibt dabei in einem Bereich der Schärfentiefe unverändert. Die Verwendung von deformierbaren Spiegeln zur gezielten Einstellung des Bildwinkels hat den Vorteil, dass aufwändig zu konstruierende makroskopische Präzisionslager und Präzisionsstellelemente, die für ein Objektiv, bei dem der Bildwinkel durch Verschiebung eines Teils seiner optischen Komponenten eingestellt wird, entfallen können. Deshalb weist das Objektiv gegenüber Lösungen mit verschiebbaren Spiegeln eine deutlich größere Stabilität und Robustheit beispielsweise gegenüber Vibrationen und äußeren Einflüssen auf. Zusätzlich beanspruchen Aufbauten mit verschiebbaren Spiegeln meist viel Bauraum, da die Verfahrwege oftmals beträchtlich sind. Die Verwendung von deformierbaren Spiegeln gestattet somit eine deutliche Reduktion des Bauvolumens, da hier die Bewegung der Spiegelflächen als nahezu vernachlässigbar gegenüber den Abmessungen des Systems bestimmenden Komponenten betrachtet werden kann. Da beispielsweise keine makroskopische Mechanik notwendig ist und das Bauvolumen geringer ist, können auch die Kosten bei der Herstellung des Objektivs gesenkt werden.
Einige weitere Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung beziehen sich auf ein einfaches, kompaktes, in der Herstellung kostengünstiges und optisch hoch qualitatives Spiegelzoomobjektiv zur Bildaufnahme, dessen Zoomwirkung auf einer Brennweitenänderung eines Teils seiner optischen Komponenten beruht. Das System weist dabei einen beispielsweise dreifachen Variationsbereich der Gesamtbrennweite auf. Es weist einen zentralabschattungsfreien Strahlengang auf, der beispielsweise das Erreichen einer hohen Bildgüte ermöglicht. Verschiedene Bildwinkelbereiche, z. B. einem Kleinbild äquivalenten Brennweitenbereich von 35 mm bis 105 mm, werden dabei von unterschiedlichen Ausführungsvarianten des Spiegelzoomobjektivs abgedeckt. Das Spiegelzoomobjektiv hat dabei eine für Schiefspiegler große Anfangsöffnung von beispielsweise 4,5 für das oben erwähnte Beispiel bzw. den oben erwähnten Brennweitenbereich. Unter Ausnutzung eines ausschließlich auf Reflexion basierenden Aufbaus und zum Beispiel der daraus resultierenden Freiheit von wellenlängenabhängigen Abbildungsfehlern ist das Spiegelzoomobjektiv in einem weiten Bereich des elektromagnetischen Spektrums einsetzbar.
In Kombination mit modernen Bildsensoren, wie z. B. CCD-Sensoren („CCD”: „charge coupled device”, ladungsgekoppelter Sensor) oder CMOS-Sensoren („CMOS”: „complementary metal-Oxide-semiconductor”, komplementäre Metall-Oxid-Halbleiter-Sensoren), stellt das Spiegelobjektiv ein Kamerasystem mit variablem Bildwinkel und hoher Bildgüte über dem gesamten Zoombereich dar.
Bei einigen Ausführungsbeispielen gemäß der Erfindung handelt es sich um ein System zur optischen Bilderzeugung und Bildaufnahme mit veränderbarem bzw. einstellbarem Bildwinkel, einem so genannten Zoomobjektiv, welches als Spiegeloptik ausgeführt ist.
Einige Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung haben den Vorteil, dass sie sich aufgrund der Ausführung als Spiegeloptik für den gesamten Spektralbereich von UV bis IR eignen. Rein auf Reflexion basierende Systeme haben keine wellenlängenabhängigen Abbildungsfehler und erreichen damit eine hohe Bildgüte. Ein solcher wellenlängenabhängiger Abbildungsfelder (chromatische Aberration) ist im Gegensatz dazu in allen auf Brechung beruhenden Objektiven (Linsenobjektive), wenn auch mehr oder weniger korrigiert, stets vorhanden. Unter anderem deshalb sind Linsenobjektive im Gegensatz zur Spiegeloptik nur innerhalb eines eingeschränkten Spektralbereichs einsetzbar.
Bei einigen Ausführungsbeispielen gemäß der Erfindung kann durch den Schiefspiegelansatz eine Zentralabschattung vermieden werden, wodurch keine dadurch verursachten kontrastmindernden Beugungseffekte auftreten.
Weitere Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung verwenden deformierbare Spiegel zur Einstellung des Bildwinkels. Die Deformation wird genutzt, um eine Änderung des Krümmungsradius der Spiegel und somit der Brennweite herbeizuführen. Die Zoomwirkung wird mit einer geeigneten Kombination mehrerer solcher Spiegel erreicht.
Das Erreichen einer hohen Bildgüte über einen weiten Bereich des elektromagnetischen Spektrums wird durch die Verwendung reflektiver optischer Funktionselemente ermöglicht. Dementsprechend weisen einige Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung ausschließlich Spiegel als optisch abbildende oder ablenkende Funktionselemente auf. Weiterhin ermöglicht der zentralabschattungsfreie Designansatz bzw. Aufbau eine Steigerung der Bildauflösung über dem gesamten Zoombereich des Objektivs.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen gemäß der Erfindung wird ein hoher Korrektionsgrad (der Abbildungsfehler) des optischen Systems durch die Verwendung nichtsphärischer Spiegelflächen erreicht. Hier spielen beispielsweise konische und bikonische Flächen eine Rolle. Damit die Komplexität des Systems einfach gehalten werden kann, können zum Beispiel die deformierbaren Spiegel als rotationssymmetrische Elemente ausgeführt werden.
Eine große mechanische Stabilität und Zuverlässigkeit des Systems in Kombination mit einem kleinen Bauvolumen kann durch den Einsatz deformierbarer Spiegel anstelle verschiebbarer Funktionselemente zur Einstellung des Bildwinkels erreicht werden. Die Fertigbarkeit des Systems und seiner Komponenten wird durch den Einsatz heute üblicher Präzisionsbearbeitungsmaschinen sichergestellt.
Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines zentralabschattungsfreien Spiegelobjektivs mit einem variablen Bildwinkel;
2 eine schematische Darstellung einer optischen Anordnung eines Spiegelzoomobjektivs;
3 eine schematische Darstellung des in 2 gezeigten Spiegelzoomobjektivs mit einer Brennweite von 5,3 mm;
4 ein Spotdiagramm des in 3 gezeigten Spiegelzoomobjektivs mit einer Brennweite von 5,3 mm;
5 eine schematische Darstellung des in 2 gezeigten Spiegelzoomobjektivs mit einer Brennweite von 7,9 mm;
6 ein Spotdiagramm des in 5 gezeigten Spiegelzoomobjektivs mit einer Brennweite von 7,9 mm;
7 eine schematische Darstellung des in 2 gezeigten Spiegelzoomobjektivs mit einer Brennweite von 15,8 mm;
8 ein Spotdiagramm des in 7 gezeigten Spiegelzoomobjektivs mit einer Brennweite von 15,8 mm;
9 eine schematische Darstellung einer optischen Anordnung eines Tele-Spiegelzoomobjektivs;
10 eine schematische Darstellung des in 9 gezeigten Tele-Spiegelzoomobjektivs mit einer Brennweite von 10,5 mm;
11 ein Spotdiagramm des in 10 gezeigten Tele-Spiegelzoomobjektivs mit einer Brennweite von 10,5 mm;
12 eine schematische Darstellung des in 9 gezeigten Tele-Spiegelzoomobjektivs mit einer Brennweite von 15,8 mm;
13 ein Spotdiagramm des in 12 gezeigten Tele-Spiegelzoomobjektivs mit einer Brennweite von 15,8 mm;
14 eine schematische Darstellung des in 9 gezeigten Tele-Spiegelzoomobjektivs mit einer Brennweite von 31,5 mm;
15 ein Spotdiagramm des in 14 gezeigten Tele-Spiegelzoomobjektivs mit einer Brennweite von 31,5 mm;
16 eine schematische Darstellung einer optischen Anordnung eines Supertele-Spiegelzoomobjektivs;
17 eine schematische Darstellung des in 16 gezeigten Supertele-Spiegelzoomobjektivs mit einer Brennweite von 30 mm;
18 ein Spotdiagramm des in 17 gezeigten Supertele-Spiegelzoomobjektivs mit einer Brennweite von 30 mm;
19 eine schematische Darstellung des in 16 gezeigten Supertele-Spiegelzoomobjektivs mit einer Brennweite von 60 mm;
20 ein Spotdiagramm des in 19 gezeigten Supertele-Spiegelzoomobjektivs mit einer Brennweite von 60 mm;
21 eine schematische Darstellung des in 16 gezeigten Supertele-Spiegelzoomobjektivs mit einer Brennweite von 90 mm;
22 ein Spotdiagramm des in 21 gezeigten Supertele-Spiegelzoomobjektivs mit einer Brennweite von 90 mm;
23 eine schematische Darstellung eines Bildaufnahmesystems mit einem Spiegelzoomobjektiv und zwei Bildsensoren;
24 eine schematische Darstellung eines Bildaufnahmesystems mit einem Spiegelzoomobjektiv mit kombiniertem Deckglas;
25 eine schematische Darstellung eines Bildaufnahmesystems mit einem Spiegelzoomobjektiv und einer zusätzlichen Offner-Relay-Anordnung;
26a, 26b eine schematische Darstellung eines optischen Funktionselements zur Festlegung eines Bezugspunkts und eines Richtungsvektors für eine optisch aktive Fläche;
27 eine schematische Darstellung einer optischen Anordnung zur Definition von Bezugsgrößen; und
28 eine schematische Darstellung einer optischen Anordnung mit Bezugsgrößen.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines zentralabschattungsfreien Spiegelobjektivs 100 mit variablen Bild winkel entsprechend einem Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung. Das Spiegelobjektiv 100 umfasst einen ersten Spiegel 110, der als deformierbarer Spiegel ausgelegt ist, einen zweiten Spiegel 120, dessen Spiegelfläche eine asphärische Form aufweist, einen dritten Spiegel 130, dessen Spiegelfläche eine asphärische Form aufweist, und einen vierten Spiegel 140, der als deformierbarer Spiegel ausgelegt ist. Dabei ist der erste bis vierte Spiegel so angeordnet, dass zumindest zwei Spiegel der ersten bis vierten Spiegel eine unterschiedliche optische Achse aufweisen. In anderen Worten, maximal drei der vier optischen Achsen 112, 122, 132, 142 bzw. der vier mechanischen Mittenachsen des ersten bis vierten Spiegels liegen auf einer Geraden und bilden dadurch eine gemeinsame optische Achse. Daher handelt es sich um einen Schiefspiegleraufbau, wodurch beispielsweise eine zentralabschattungsfreie Anordnung des ersten bis vierten Spiegels ermöglicht wird.
Des Weiteren ist der erste bis vierte Spiegel so angeordnet, dass sich ein gefalteter Strahlengang 102 von dem ersten Spiegel 110 über den zweiten Spiegel 120 und über den dritten Spiegel 130 zu dem vierten Spiegel 140 erstreckt. Die Anordnung des ersten bis vierten Spiegels ist zusätzlich so ausgeführt, dass sich in dem Strahlengang 102 zwischen dem ersten Spiegel 110 und dem vierten Spiegel 140 keine Zwischenbildebene befindet. Dadurch kann das Spiegelobjektiv kompakter hergestellt werden als bei Objektiven mit Zwischenbildebene, da eine Zwischenbildebene den Strahlengang 102 verlängern würde.
Des Weiteren sind der erste Spiegel 110 und der vierte Spiegel 140 so deformierbar, dass durch eine Deformation der Spiegelfläche des ersten Spiegels 110 kombiniert mit einer Deformation der Spiegelfläche des vierten Spiegels 140 der Bildwinkel des Objektivs 100 verändert wird und dabei eine Position einer Bildebene 160 des zentralabschattungsfreien Spiegelobjektivs 100 im Bereich der Schärfentiefe unverändert bleibt. Dadurch ist gewährleistet, dass beispielsweise ein Sensor oder Detektor, der sich am Ort der Bildebene befindet, trotz unterschiedlicher Bildwinkel bzw. unterschiedlicher Zoomzustände des Objektivs ein scharfes Bild aufnehmen kann.
Zusätzlich ist vor dem ersten Spiegel 110 strichliert eine Eintrittsöffnung 170 angedeutet. Die Eintrittsöffnung kann optional angeordnet werden, um Strahlung nur aus einem bestimmten Bereich in das Objektiv zu lassen. Dabei kann die Eintrittsöffnung beispielsweise ein Teil eines Gehäuses des Spiegelobjektivs oder ein eigenes optisches Funktionselement sein.
Die Verwendung von reflektiven optischen Elementen ermöglicht es wellenabhängige Abbildungsfehler bzw. eine chromatische Aberration zu verhindern. Das Spiegelobjektiv ist daher in einem großen Wellenlängenbereich des elektromagnetischen Spektrums einsetzbar.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer optischen Anordnung eines Spiegelzoomobjektivs 200 entsprechend einem Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung. Das Spiegelzoomobjektiv 200 ist so aufgebaut, dass der Strahlengang 102 entlang einer ersten Konstruktionsachse e₀ von einem Objekt 202 auf den ersten Spiegel 110 so auftrifft, dass die erste Konstruktionsachse e₀ und die optische Achse 112 des ersten Spiegels einen Winkel α₁ einschließen, wobei ein Einfallslot in dem Auftreffpunkt der ersten Konstruktionsachse e₀ auf den ersten Spiegel 110 der optischen Achse 112 des ersten Spiegels 110 entspricht.
Entsprechend dem Reflexionsgesetz führt der Strahlengang 102 entlang einer zweiten Konstruktionsachse e₁, die mit der ersten Konstruktionsachse e₀ den zweifachen Winkel α₁ einschließt, zu dem zweiten Spiegel 120. Die zweite Konstruktionsachse e₁ und ein Einfallslot 224 des zweiten Spiegels 120, das zu der optischen Achse 122 des zweiten Spiegels 120 parallel ist, in einem Auftreffpunkt 225 der zweiten Konstruktionsachse e₁ auf die Spiegelfläche des zweiten Spiegels 120 schließen einen Winkel α₂ ein. Das Einfallslot in dem Auftreffpunkt 225 der zweiten Konstruktionsachse e₁ auf den zweiten Spiegel 120 weist einen Abstand d₂ von der optischen Achse 122 des zweiten Spiegels 120 auf.
Nach der Reflexion an dem zweiten Spiegel 120 führt der Strahlengang 102 wiederum entsprechenden dem Reflexionsgesetz entlang einer dritten Konstruktionsachse e₂, die mit der zweiten Konstruktionsachse e₁ den zweifachen Winkel α₂ einschließt, zu dem dritten Spiegel 130. Wie bei dem ersten Spiegel 110 trifft die dritte Konstruktionsachse e₂ den dritten Spiegel 130 in dem Schnittpunkt der optischen Achse 132 des dritten Spiegels 130 mit der Spiegelfläche des dritten Spiegels 130. Das Einfallslot im Auftreffpunkt der dritten Konstruktionsachse e₂ auf den dritten Spiegel 130 entspricht somit der optischen Achse 132 des dritten Spiegels 130. Das Einfallslot sowie die optische Achse 132 des dritten Spiegels 130 schließen mit der dritten Konstruktionsachse e₂ einen Winkel α₃ ein.
Nach einer Umlenkung um den zweifachen Einfallswinkel α₃ führt der Strahlengang 102 entlang einer vierten Konstruktionsachse e₃ zu dem vierten Spiegel 140. Die vierte Konstruktionsachse e₃ und ein Einfallslot 244 des vierten Spiegels 140, das zu der optischen Achse 142 des vierten Spiegels 140 parallel ist, in einem Auftreffpunkt 245 der vierte Konstruktionsachse e₃ auf die Spiegelfläche des vierten Spiegels 140 schließen dabei einen Winkel α₄ ein. Die optische Achse 142 des vierten Spiegels 140 und das Einfallslot 244 des vierten Spiegels 140 weisen dabei zueinander einen Abstand d₄ auf.
Entlang einer fünften Konstruktionsachse e₄, die mit der vierten Konstruktionsachse e₃ den zweifachen Winkel α₄ einschließt, führt der Strahlengang 102 weiter zu einem Deckglas 250 und zu einem hinter dem Deckglas 250 befindli chen Sensor bzw. Bildebene 160. Die fünfte Konstruktionsachse e₄ und ein Einfallslot 264 des Deckglases 250 schließen einen Winkel α₅ ein. Das Einfallslot 264 ist parallel zu einer Mittenachse 262 der Bildebene 160 bzw. des Sensors und weist einen Abstand d₅ von der Mittenachse 262 der Bildebene 160 bzw. des Sensors auf.
Die Längen der ersten bis fünften Konstruktionsachse (e₀ bis e₄) legen den Abstand zwischen den optischen Funktionselementen fest.
Des Weiteren zeigen die gestrichelten Linien 218 bei dem ersten Spiegel 110 und die gestrichelte Linie 248 bei dem vierten Spiegel 140 verschiedene Deformationszustände der Spiegelflächen der beiden deformierbaren Spiegel an.
Der zweite Spiegel 120 stellt nur ein Segment eines Spiegels dar, der durch den gestrichelten Bereich 228 in seiner Gesamtheit dargestellt ist. Der gestrichelte Bereich 228 muss jedoch nicht vorhanden sein, da der Bereich 228 keine optisch aktiven Flächen enthält. Die Verwendung des Spiegelsegments 120 anstelle des gesamten Spiegels ermöglicht die abschattungsfreie Anordnung der Spiegel des Objektivs.
Die Durchmesser des ersten bis vierten Spiegels sind entsprechend der Spiegelnummern mit D₁, D₂, D₃ und D₄ gekennzeichnet.
Das Spiegelobjektiv 200 und auch dessen globales Koordinatensystem wird durch die Konstruktionsachsen e₀ bis e₄ definiert. Zur Definition der Konstruktionsachsen wird der erste bis vierte Spiegel 110, 120, 130, 140 als Planspiegel angenommen. Die Auftreffpunkte der Konstruktionsachsen auf die (angenommenen) Planspiegel werden als Flächenschwerpunkte der (angenommenen) Planspiegel mit dessen Umrandung definiert. Drehungen erfolgen mit dem angegebenen Winkel α₁, α₂, α₃, α₄ um das Einfallslot durch den Flächenschwerpunkt des jeweiligen (angenommenen) Planspiegels. Es gilt somit das Reflexionsgesetz. Verschiebungen erfolgen senkrecht zum Einfallslot ausgehend vom Auftreffpunkt, wobei der dadurch entstehende Punkt als neuer Schwerpunkt der (angenommenen) Planspiegelfläche angesehen wird und Ausgangspunkt einer zum Einfallslot parallel liegenden optischen Achse ist.
Die gewölbten Flächen bei dem ersten und vierten Spiegel 110, 140, die als deformierbare Spiegel ausgeführt sind, entstehen, wenn beispielsweise eine Membran am Rand des (angenommenen) Planspiegels befestigt wird. Bei den restlichen, gekrümmten Flächen sind die jeweiligen Schwerpunkte die Scheitelpunkte der optischen Elemente. Die optischen Achsen 112, 122, 132, 142 der Elemente liegen parallel zu den Einfallsloten der (angenommenen) Planspiegel und gehen durch den Scheitelpunkt. Speziell beim zweiten Spiegel 120 wird danach nur ein Ausschnitt aus diesem verschobenen Spiegelgebilde verwendet. Als Abstände zwischen den einzelnen optischen Elementen gelten die Längen der Konstruktionsachsen e₀ bis e₄.
Der Begriff Einfallslot bezieht sich entsprechend dem Reflexionsgesetz auf die winkelhalbierende Symmetrieachse zwischen den beiden Konstruktionsachsen die entlang des Strahlengangs auf einen Spiegel treffen. Im Fall eines dezentrierten Spiegels, wie beispielsweise dem zweiten Spiegel 120 und dem vierten Spiegel 140, ist das Einfallslot keine Flächennormale der Spiegelfläche des jeweiligen Spiegels, da der zur Konstruktion angenommene Planspiegel durch einen gekrümmten Spiegel ersetzt wurde. Das Einfallslot ist nur parallel zu der optischen Achse des jeweiligen Spiegels, die ihrerseits jedoch eine Flächennormale der Spiegelfläche des entsprechenden Spiegels darstellt.
Durch eine dezentrierte Nutzung von Spiegelflächen, wie es in 2 für den zweiten Spiegel 120 und den vierten Spiegel 140 gezeigt ist, kann beispielsweise ein zentralabschattungsfreier und kompakter Aufbau unterstützt werden.
Da ein großer Abstand von dem vierten Spiegel 140 zu der Bildebene 160 bzw. dem Sensor, bezeichnet als hintere Schnittweite, erforderlich ist, ist das Objektiv 200 als Retrofokustyp mit einem konvexen ersten Spiegel 110 ausgeführt. Der zweite Spiegel 120 und der vierte Spiegel 140 haben eine konkave Krümmung. Der dritte Spiegel 130 fungiert als Systemblende und weist eine leicht konvexe Krümmung auf.
Die Hauptsymmetrierichtung der Winkelverkippung der einzelnen Spiegel wird durch die eingezeichneten Achsen e₀, e₁, e₂, e₃ und e₄ festgelegt. Die Verkippungswinkel α₁, α₂, α₃ und α₄ sind dem jeweils entsprechenden Spiegel zugeordnet und bestimmen die Verkippung relativ zu den Achsen e₀ bis e₄. α₅ bezeichnet den Verkippungswinkel der Bildebene 160 bzw. des Sensordeckglases 250.
Die in der Anordnung zusätzlich auftretenden Lateralverschiebungen zwischen dem Auftreffpunkt der Achsen e₁ bis e₄ auf den zweiten Spiegel 120 und den vierten Spiegel 140 und der mechanischen Mittenachse bzw. der optischen Achse der einzelnen Spiegel sind mit d₂ und d₄ bezeichnet. Die Lateralverschiebung des Sensordeckglases 250 bzw. der Bildebene 160 sowie des Bildsensors erhält die Bezeichnung d₅. Die Durchmesser des ersten bis vierten Spiegels sind entsprechend der Spiegelnummern mit D₁, D₂, D₃ und D₄ bezeichnet.
Die abschattungsfreie Anordnung wird durch einen Kompromiss von Verdrehungswinkel α₁ bis α₅ und den Abständen zwischen den optischen Komponenten, gemessen als Länge der Achsen e₁ bis e₄, erreicht. Die Drehungen erfolgen für den ersten Spiegel 110 und den dritten Spiegel 130 und die Bildebene 160 bzw. den Sensor inklusive Deckglas 250 einerseits, sowie für den zweiten Spiegel 120 und den vierten Spiegel 140 andererseits, in entgegengesetzter Richtung. Je größer die Drehwinkel der Spiegel sind, desto schwieriger ist es beispielsweise den dadurch verursachten Astigmatismus zu korrigieren. Mit kleiner werdendem Drehwinkel muss jedoch in den meisten Fällen der Abstand zwischen den jeweiligen Spiegeln vergrößert werden, was wiederum den benötigten effektiven Durchmesser der Spiegel beeinflusst. Weiterhin sind die Drehwinkel und Abstände beispielsweise vom Platzbedarf des Sensors 160 und Deckglas 250 abhängig.
Der zweite Spiegel 120 ist so angeordnet, dass er außerhalb eines Strahlenbündels des ersten Spiegels 110 liegt. In anderen Worten, Strahlung, die von dem Objekt 202 auf den ersten Spiegel 110 trifft wird nicht durch den zweiten Spiegel 120 abgeschattet. Dabei liegt der Kippwinkel α₁ des ersten Spiegels 110 bei 22,3°. Der zweite Spiegel ist entgegengesetzt zu dem ersten Spiegel um α₂ = –20,2° gedreht und gleichzeitig um d₂ = 2,2 mm dezentriert.
Da der vierte Spiegel 140 ebenso im Uhrzeigersinn mit α₄ = –12,6° gedreht ist, aber die Abstände nicht ausreichen, um abschattungsfrei den Bildsensor 160 anzuordnen, ist in der Blendenebene der dritte Spiegel 130 angeordnet und mit dem Winkel α₃ = 27,8° entgegen dem Uhrzeigersinn gedreht.
Die Änderung der Brennweite wird beispielsweise durch eine definierte Änderung der Krümmungsradien des ersten Spiegels 110, bezeichnet als R₁, und des vierten Spiegels 140, bezeichnet als R₄, erreicht. Der erste Spiegel 110 vergrößert bzw. verkleinert den Feldwinkel bzw. Bildwinkel, der vierte Spiegel 140 korrigiert die Position der optischen Fokalebene bzw. der Bildebene 160 und dient zusätzlich zur Fokussierung. Zur Korrektur der optischen Abbildungsfehler sind beispielsweise der rotationssymmetrische erste Spiegel 110 und der rotationssymmetrische vierte Spiegel 140 als konische Asphären ausgebildet. Die konische Konstante kann jedoch für den gesamten Brennweitenbereich als während des Zoomens unveränderliche Größe implementiert werden. Die asphärischen Funktionsflächen können jedoch mathematisch auch als vollständige Polynome, polynomiale Erweiterung der sphärischen oder konischen Flächen oder als so genannte Freiformflächen beschrieben werden.
Zusätzliche Abbildungsfehler, hauptsächlich prinzipbedingter Astigmatismus und Bildfeldwölbung, können mit dem zweiten Spiegel 120 und dem dritten Spiegel 130 korrigiert werden. Um die Komplexität des Systems so gering wie möglich zu halten, kann der vornehmlich auftretende Astigmatismus beispielsweise mit konischen oder bikonischen Oberflächen korrigiert werden. Das heißt, zwei senkrecht zueinander stehende Ebenen besitzen unterschiedliche Krümmungsradien und/oder unterschiedliche konische Konstanten.
In der Berechnung des in 2 gezeigten Ausführungsbeispiels ist zusätzlich die Bewegung des Scheitelpunkts der Spiegelfläche bei einer Änderung des Krümmungsradius für den Fall einer am Rand fest eingespannten Membran als Spiegelfläche berücksichtigt. In diesem Fall vergrößert bzw. verkleinert sich bei einer Krümmungsradiusänderung der Abstand zwischen dem Scheitelpunkt der optisch aktiven Fläche und der Randebene. Bei einer asphärischen Fläche lässt sich der Abstand z zwischen dem Scheitelpunkt der optisch aktiven Fläche und der Ebene durch den Rand mit folgender Formel bestimmen:
Dabei bezeichnet D den Durchmesser des Rands, R den Krümmungsradius und κ die konische Konstante.
Das zentralabschattungsfreie Spiegelzoomobjektiv 200 hat beispielsweise eine dem Kleinbild äquivalente Brennweite von 35 mm bis 105 mm bei einer Anfangsöffnung von 4,5 und umfasst vier Spiegel 110, 120, 130, 140. Weiterhin ist eine Bildebene 160 bzw. ein Bildsensor mit zugehörigem Sensor deckglas 250 dargestellt. Das Objektiv entwirft ein Bild eines Objekts 202 an dem Ort der Bildebene 160 bzw. des Bildsensors.
Die vollständige optische Charakterisierung des in 2 gezeigten Ausführungsbeispiels ist in nachfolgenden Tabellen zu finden. Tabelle 1 beinhaltet die Werte der Verdrehungswinkel und der Abstände zwischen den Elementen. Tabelle 2 listet mögliche Parameter für drei Zoomzustände auf. Dabei sind negative Krümmungsradien als konvexe und positive Krümmungsradien als konkave Formen zu verstehen. Eine konische Konstante größer Null ergibt nach der oben stehenden Formel einen abgeflachten Ellipsoiden. Die Angabe von zwei Werten für den Krümmungsradius und/oder die konische Konstante bedeutet, dass ein optisches Element einen unterschiedlichen Krümmungsradius und/oder eine unterschiedliche konische Konstante in zwei zueinander orthogonalen Richtungen aufweist. Tabelle 1
Die Angaben im letzten Feld der Zeile mit den angegebenen Abständen in Tabelle 1 gibt mit 0,6 mm die Dicke des Deck glases und mit 0,7 mm den Abstand zwischen dem Deckglas und dem Bildsensor bzw. der Bildebene an.
Die Länge der Konstruktionsachse e₄, die Dezentrierung d₅ und der Winkel α₅ beziehen sich auf die Lage des Deckglases 250. Da der Winkel α₅ und die Dezentrierung d₅ für die Bildebene 160 bzw. den Bildsensor die gleichen wie für das Deckglas 250 sind und die Dicke des Deckglases 250 und der Abstand des Deckglases 250 zur Bildebene 160 bzw. zum Bildsensor bekannt sind, können die Bezugsgrößen (e₄, d₅ und α₅) des Deckglases 250 leicht auf Bezugsgrößen der Bildebene 160 umgerechnet werden.

Das Deckglas 250 und der Bildsensor am Ort der Bildebene 160 sind optionale Komponenten und nicht zwingender Bestandteil des beschriebenen Spiegelobjektivs. Tabelle 2

Bildwinkel	38° × 49°	26° × 34°	13° × 17°
Brennweite	f_min = 5,3 mm	f_mitte = 7,9 mm	f_max = 15,8 mm
Blendenzahl	4,5	4,8	5,7
Krümmungsradius R
Spiegel 110	R₁ = –17,8 mm	R₁ = –26,7 mm	R₁ = –51,7 mm
Spiegel 120	y: R_2y = 65,8 mm x: R_2x = 66,4 mm
Spiegel 130	y: R_3y = –113,6 mm x: R_3x = –128,1 mm
Spiegel 140	R₄ = 41,9 mm	R₄ = 44,1 mm	R₄ = 51,7 mm
Konische Konstante κ
Spiegel 110	κ₁ = 1,0
Spiegel 120	y: κ_2y = 1,5 x: κ_2x = 1,0
Spiegel 130	y: κ_3y = 48,0 x: κ_3x = 62,3
Spiegel 140	κ₄ = 0,6

3 zeigt eine schematische Darstellung des in 2 gezeigten Spiegelzoomobjektivs mit einer Brennweite von 5,3 mm entsprechend einem Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung. Der Aufbau des Spiegelzoomobjektivs 300 entspricht dabei der optischen Anordnung, die in 2 gezeigt ist. Als Beispiel sind die Strahlenbündel 302, 304, 306 für drei unterschiedliche Feldpunkte bzw. Objektpunkte eingezeichnet. Es ist der Weg der drei verschiedenen Strahlenbündel 302, 304, 306 durch das Objektiv 300 bis zur Bildebene 160 bzw. dem Bildsensor gezeigt.
4 zeigt ein Spotdiagramm 400 des in 3 gezeigten Spiegelzoomobjektivs mit einer Brennweite von 5,3 mm (auch als Weitwinkel bezeichnet). Ein Spotdiagramm veranschaulicht die geometrische Abbildung eines punktförmigen Objekts und ist dadurch ein Hinweis auf die Qualität eines Objektivs. Die Konstruktion eines Spotdiagramms startet mit einem einzelnen Objektpunkt, der eine Vielzahl von monochromatischen Strahlen bzw. ein Strahlenbündel emittiert. Diese Strahlung trifft gleichförmig eine Eintrittspupille des Objektivs. Dieses Strahlenbündel wird dann durch Anwendung von Trigonometrie durch das Objektiv bis zur Bildebene verfolgt. Die Summe von Punkten, an denen die einzelnen Strahlen des Strahlenbündels die Bildebene treffen, stellt das Spotdiagramm dar.
In 4 sind dazu drei Beispiele für drei unterschiedliche Objektwinkel 412, 422, 432 dargestellt. Dabei ist in Feld 1 (bei Bezugszeichen 410 gezeigt) ein Strahlenbündel, das unter einem Objektwinkel von 0° einfällt, gezeigt, was einer Abbildung eines punktförmigen Objekts in der Bildfeldmitte entspricht. In Feld 2 (wie bei Bezugszeichen 420 gezeigt) ist ein Strahlenbündel dargestellt, das unter einem Objektwinkel von –12,3° und –9,5° einfällt, was einer Abbildung eines punktförmigen Objekts im mittleren Bildfeld entspricht. Durch eine Verwendung eines rechteckigen Bild formats wird die Angabe von zwei zueinander orthogonalen Winkeln notwendig. Des Weiteren ist in Feld 3 (wie bei Bezugszeichen 430 gezeigt) ein Strahlenbündel, das unter einem Objektwinkel von –24,6° und –19° einfällt, dargestellt, was einer Abbildung eines punktförmigen Objekts in einer Ecke des Bildfelds entspricht.
Zusätzlich ist in jedem der drei Felder ein Kreis 440 mit einem Radius, der dem Airy-Radius 470 entspricht, eingezeichnet. Dieser Kreis 440, auch Airy-Scheibe genannt, stellt die kleinstmögliche Abbildung eines punktförmigen Objekts durch das Objektiv dar. Das heißt, umso höher die Anzahl der Punkte des Spotdiagramms innerhalb des Kreises 440 ist, umso besser ist die Qualität des Objektivs.
Des Weiteren ist in jedem der drei Felder ein IMA Parameter 414, 424, 434 angegeben. Der IMA Parameter gibt einen Wert für die Distanz zwischen dem Zentrum der Bildebene bzw. dem Zentrum der Airy-Scheibe und dem Ort der Spots in der Bildebene an.
Zusätzlich sind für die drei Felder Werte für einen RMS Radius 450 (RMS: „route means square”, quadratischer Mittelwert) und einen GEO Radius 460 (GEO: geometrischer Maximalwert) angegeben.
Das Spotdiagramm 400 zeigt für das in 3 gezeigte Spiegelzoomobjektiv mit einer Brennweite von 5,3 mm eine für kommerzielle Fotoobjektive übliche Abbildungsleistung.
5 zeigt eine schematische Darstellung des in 2 gezeigten Spiegelzoomobjektivs mit einer Brennweite von 7,9 mm entsprechend einem Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung. Wie in 3 ist der Weg von drei verschiedenen Strahlbündeln 502, 504, 506 durch das Objektiv 500 bis zur Bildebene 160 bzw. dem Bildsensor gezeigt.
6 zeigt passend zu dem in 5 dargestellten Spiegelzoomobjektiv mit einer Brennweite von 7,9 mm (auch als Normal-Winkel bezeichnet) ein Spotdiagramm 600 für drei unterschiedliche Objektwinkel 612, 622, 632.
Das Spotdiagramm zeigt für das in 5 gezeigte Spiegelzoomobjektiv eine für kommerzielle Fotoobjektive übliche Abbildungsleistung.
7 zeigt eine schematische Darstellung des in 2 gezeigten Spiegelzoomobjektivs mit einer Brennweite von 15,8 mm entsprechend einem Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung. Wie in 3 ist der Weg von drei verschiedenen Strahlbündeln 702, 704, 706 durch das Objektiv 700 bis zur Bildebene 160 bzw. dem Bildsensor gezeigt.
8 zeigt passend zu dem in 7 dargestellten Spiegelzoomobjektiv mit einer Brennweite von 15,8 mm (auch als Tele bezeichnet) ein Spotdiagramm 800 für drei unterschiedliche Objektwinkel 812, 822, 832.
Das Spotdiagramm zeigt für das in 7 gezeigte Spiegelzoomobjektiv eine für kommerzielle Fotoobjektive übliche Abbildungsleistung.
Die 2, 3, 5 und 7 zeigen das Spiegelzoomobjektiv bzw. das optische System mit den Daten der Tabellen 1 und 2.
9 zeigt eine schematische Darstellung einer optischen Anordnung eines Tele-Spiegelzoomobjektivs 900 entsprechend einem Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung. Die optische Anordnung 900 ist ähnlich der Anordnung, wie sie in 2 gezeigt ist.
Das Spiegelzoomobjektiv umfasst wiederum vier Spiegel, wobei der erste Spiegel 110 und der vierte Spiegel 140 rotationssymmetrisch und deformierbar sind. Das gezeigte zentralabschattungsfreie Spiegelzoomobjektiv 900 hat eine dem Kleinbild äquivalente Brennweite von 70 mm bis 210 mm bei einer Anfangsöffnung von 4,5. Ebenso wie das in 2 gezeigte Objektiv ist das Spiegelzoomobjektiv 900 als Retrofokustyp mit einem konvexen ersten Spiegel 110 ausgeführt. Der zweite Spiegel 120 und der vierte Spiegel 140 haben eine konkave Krümmung. Der dritte Spiegel 130 fungiert als Systemblende und weist eine leicht konvexe Krümmung auf. Der zweite Spiegel 120 weist eine dezentrierte konische Form auf.
Des Weiteren unterscheidet sich das Spiegelzoomobjektiv 900 von dem in 2 gezeigten Objektiv durch die Abstände der optischen Elemente zueinander (e₁ bis e₄), durch die Verdrehung der optischen Elemente zueinander (α₁ bis α₅), durch die Dezentrierung der optischen Elemente von ihren optischen Achsen bzw. mechanischen Mittenachsen (d₂ bis d₅) sowie durch die Form des ersten bis vierten Spiegels, da die Parameter an den gewählten Brennweitenbereich (70 mm bis 210 mm) angepasst sind, um Bildfehler zu minimieren.
Die vollständige optische Charakterisierung des Spiegelzoomobjektivs 900 ist in nachfolgenden Tabellen zu finden. Tabelle 3 beinhaltet die Werte der Verdrehungswinkel und der Abstände zwischen den Elementen, wie sie in 9 durch die Bezugszeichen gekennzeichnet sind. Tabelle 4 listet die notwendigen Parameter für drei Zoomzustände auf. Dabei sind negative Krümmungsradien als konvexe und positive Krümmungsradien als konkave Formen zu verstehen. Eine konische Konstante größer Null ergibt nach der oben stehenden Formel einen abgeflachten Ellipsoiden. Tabelle 3
Die Angaben im letzten Feld der Zeile mit den angegebenen Abständen in Tabelle 3 gibt mit 0,6 mm die Dicke des Deckglases und mit 0,7 mm den Abstand zwischen dem Deckglas und dem Bildsensor bzw. der Bildebene an.
Die Länge der Konstruktionsachse e₄, die Dezentrierung d₅ und der Winkel α₅ beziehen sich auf die Lage des Deckglases 250. Da der Winkel α₅ und die Dezentrierung d₅ für die Bildebene 160 bzw. den Bildsensor die gleichen wie für das Deckglas 250 sind und die Dicke des Deckglases 250 und der Abstand des Deckglases 250 zur Bildebene 160 bzw. zum Bildsensor bekannt sind, können die Bezugsgrößen (e₄, d₅ und α₅) des Deckglases 250 leicht auf Bezugsgrößen der Bildebene 160 umgerechnet werden.

Das Deckglas 250 und der Bildsensor am Ort der Bildebene 160 sind optionale Komponenten und nicht zwingender Bestandteil des beschriebenen Spiegelobjektivs. Tabelle 4

Bildwinkel	9,5° × 12,3°	6,5° × 8,8°	3,2° × 4,3°
Brennweite	f_min = 10,5 mm	f_mitte = 15,8 mm	f_max = 31,5 mm
Blendenzahl	4,5	4,9	6,0
Krümmungsradius R
Spiegel 110	R₁ = –38,4 mm	R₁ = –56,7 mm	R₁ = –109,1 mm
Spiegel 120	R₂ = 92,0 mm
Spiegel 130	y: R_3y = –132,7 mm x: R_3x = –137,8 mm
Spiegel 140	R₄ = 60,4 mm	R₄ = 64,5 mm	R₄ = 80,7 mm
Konische Konstante κ
Spiegel 110	κ₁ = 1,2
Spiegel 120	κ₂ = 0,5
Spiegel 130	y: κ_3y = 19,3 x: κ_3x = 19,2
Spiegel 140	κ₄ = 0,6

10 zeigt eine schematische Darstellung des in 9 gezeigten Tele-Spiegelzoomobjektivs mit einer Brennweite von 10,5 mm entsprechend einem Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung. Wie in 3 ist der Weg von drei verschiedenen Strahlbündeln 1002, 1004, 1006 durch das Objektiv 1000 bis zur Bildebene 160 bzw. dem Bildsensor gezeigt.
11 zeigt passend zu dem in 10 dargestellten Tele-Spiegelzoomobjektiv mit einer Brennweite von 10,5 mm ein Spotdiagramm 1100 für drei unterschiedliche Objektwinkel 1112, 1122, 1132.
Das Spotdiagramm zeigt für das in 10 gezeigte Spiegelzoomobjektiv eine für kommerzielle Fotoobjektive übliche Abbildungsleistung.
12 zeigt eine schematische Darstellung des in 9 gezeigten Tele-Spiegelzoomobjektivs mit einer Brennweite von 15,8 mm entsprechend einem Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung. Wie in 3 ist der Weg von drei verschiedenen Strahlbündeln 1202, 1204, 1206 durch das Objektiv 1200 bis zur Bildebene 160 bzw. dem Bildsensor gezeigt.
13 zeigt passend zu dem in 12 dargestellten Tele-Spiegelzoomobjektiv mit einer Brennweite von 15,8 mm ein Spotdiagramm 1300 für drei unterschiedliche Objektwinkel 1312, 1322, 1332.
Das Spotdiagramm zeigt für das in 12 gezeigte Spiegelzoomobjektiv eine für kommerzielle Fotoobjektive übliche Abbildungsleistung.
14 zeigt eine schematische Darstellung des in 9 gezeigten Tele-Spiegelzoomobjektivs mit einer Brennweite von 31,5 mm entsprechend einem Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung. Wie in 3 ist der Weg von drei verschiedenen Strahlbündeln 1402, 1404, 1406 durch das Objektiv 1400 bis zur Bildebene 160 bzw. dem Bildsensor gezeigt.
15 zeigt passend zu dem in 14 dargestellten Tele-Spiegelzoomobjektiv mit einer Brennweite von 31,5 mm ein Spotdiagramm 1500 für drei unterschiedliche Objektwinkel 1512, 1522, 1532.
Das Spotdiagramm zeigt für das in 14 gezeigte Spiegelzoomobjektiv eine für kommerzielle Fotoobjektive übliche Abbildungsleistung.
Die 9, 10, 12 und 14 zeigen das Spiegelzoomobjektiv bzw. das optische System mit den Daten der Tabellen 3 und 4.
16 zeigt eine schematische Darstellung einer optischen Anordnung eines Supertele-Spiegelzoomobjektivs 1600 entsprechend einem Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung. Das Supertele-Spiegelzoomobjektiv 1600 ist ähnlich dem in 2 gezeigten Spiegelzoomobjektiv und umfasst wiederum vier Spiegel. Das Objektiv 1600 weist eine dem Kleinbild äquivalente Brennweite von 200 mm bis 600 mm und eine Anfangsöffnung von 6,5 auf. Der erste Spiegel 110 und der vierte Spiegel 140 sind wieder als rotationssymmetrische, deformierbare Spiegel ausgeführt.
Im Unterschied zu den in 2 und in 9 gezeigten Ausführungsbeispielen weist bei dem hier gezeigten Objektiv 1600 der erste Spiegel 110 eine konkave Krümmung und der zweite Spiegel 120 eine konvexe Krümmung auf. Der dritte Spiegel fungiert wieder als Systemblende und weist eine leicht konkave Krümmung auf.
Des Weiteren unterscheidet sich das Spiegelzoomobjektiv 1600 von dem in 2 gezeigten Objektiv durch die Abstände der optischen Elemente zueinander (e₁ bis e₄), durch die Verdrehung optischen Elemente zueinander (α₁ bis α₅), durch die Dezentrierung der optischen Elemente von ihren optischen Achsen bzw. mechanischen Mittenachsen (d₂ bis d₅) sowie durch die Form des ersten bis vierten Spiegels, da die Parameter an den gewählten Brennweitenbereich (200 mm bis 600 mm) angepasst sind, um Bildfehler zu minimieren.
Die vollständige optische Charakterisierung des Supertele-Spiegelzoomobjektivs 1600 ist in nachfolgenden Tabellen zu finden. Tabelle 5 beinhaltet die Werte der Verdrehungswinkel und der Abstände zwischen den Elementen. Tabelle 6 listet die notwendigen Parameter für drei Zoomzustände auf. Dabei sind negative Krümmungsradien als konvexe und positi ve Krümmungsradien als konkave Formen zu verstehen. Eine konische Konstante größer Null ergibt nach der oben stehenden Formel einen abgeflachten Ellipsoiden.
Der zweite Spiegel 120 ist in entgegengesetzter Richtung (in Vergleich mit den in 2 und 9 gezeigten Objektiven) dezentriert. Damit erhält die Dezentierung d2 ein negatives Vorzeichen. Tabelle 5
Die Angaben im letzten Feld der Zeile mit den angegebenen Abständen in Tabelle 5 gibt mit 0,6 mm die Dicke des Deckglases und mit 0,7 mm den Abstand zwischen dem Deckglas und dem Bildsensor bzw. der Bildebene an.
Die Länge der Konstruktionsachse e₄, die Dezentrierung d₅ und der Winkel α₅ beziehen sich auf die Lage des Deckglases 250. Da der Winkel α₅ und die Dezentrierung d₅ für die Bildebene 160 bzw. den Bildsensor die gleichen wie für das Deckglas 250 sind und die Dicke des Deckglases 250 und der Abstand des Deckglases 250 zur Bildebene 160 bzw. zum Bildsensor bekannt sind, können die Bezugsgrößen (e₄, d₅ und α₅) des Deckglases 250 leicht auf Bezugsgrößen der Bildebene 160 umgerechnet werden.

Das Deckglas 250 und der Bildsensor am Ort der Bildebene 160 sind optionale Komponenten und nicht zwingender Bestandteil des beschriebenen Spiegelobjektivs. Tabelle 6

Bildwinkel	3,4° × 4,6°	1,7° × 2,3°	1,1° × 1,5°
Brennweite	f_min = 30 mm	f_mitte = 60 mm	f_max = 90 mm
Blendenzahl	6,5	8,2	10,0
Krümmungsradius R
Spiegel 110	R₁ = ∞	R₁ = 316,0 mm	R₁ = 236,8 mm
Spiegel 120	y: R_2y = –236,9 mm x: R_2x = –233,7 mm
Spiegel 130	y: R_3y = 407,3 mm x: R_3x = 406,8 mm
Spiegel 140	R₄ = 72,5 mm	R₄ = 99,0 mm	R₄ = 157,2 mm
Konische Konstante κ
Spiegel 110	κ₁ = 0,4
Spiegel 120	y: κ_2y = 19,3 x: κ_2x = 39,7
Spiegel 130	y: κ_3y = 932,6 x: κ_3x = –890,0
Spiegel 140	κ₄ = 0,6

17 zeigt eine schematische Darstellung des in 16 gezeigten Supertele-Spiegelzoomobjektivs mit einer Brennweite von 30 mm entsprechend einem Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung. Wie in 3 ist der Weg von drei verschiedenen Strahlbündeln 1702, 1704, 1706 durch das Objektiv 1700 bis zur Bildebene 160 bzw. dem Bildsensor gezeigt.
18 zeigt passend zu dem in 17 dargestellten Tele-Spiegelzoomobjektiv mit einer Brennweite von 30 mm ein Spotdiagramm 1800 für drei unterschiedliche Objektwinkel 1812, 1822, 1832.
Das Spotdiagramm zeigt für das in 17 gezeigte Spiegelzoomobjektiv eine für kommerzielle Fotoobjektive übliche Abbildungsleistung.
19 zeigt eine schematische Darstellung des in 16 gezeigten Supertele-Spiegelzoomobjektivs mit einer Brennweite von 60 mm entsprechend einem Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung. Wie in 3 ist der Weg von drei verschiedenen Strahlbündeln 1902, 1904, 1906 durch das Objektiv 1900 bis zur Bildebene 160 bzw. dem Bildsensor gezeigt.
20 zeigt passend zu dem in 19 dargestellten Tele-Spiegelzoomobjektiv mit einer Brennweite von 60 mm ein Spotdiagramm 2000 für drei unterschiedliche Objektwinkel 2012, 2022, 2032.
Das Spotdiagramm zeigt für das in 19 gezeigte Spiegelzoomobjektiv eine für kommerzielle Fotoobjektive übliche Abbildungsleistung.
21 zeigt eine schematische Darstellung des in 16 gezeigten Supertele-Spiegelzoomobjektivs mit einer Brennweite von 90 mm entsprechend einem Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung. Wie in 3 ist der Weg von drei verschiedenen Strahlbündeln 2102, 2104, 2106 durch das Objektiv 2100 bis zur Bildebene 160 bzw. dem Bildsensor gezeigt.
22 zeigt passend zu dem in 21 dargestellten Tele-Spiegelzoomobjektiv mit einer Brennweite von 90 mm ein Spotdiagramm 2200 für drei unterschiedliche Objektwinkel 2212, 2222, 2232.
Das Spotdiagramm zeigt für das in 21 gezeigte Spiegelzoomobjektiv eine für kommerzielle Fotoobjektive übliche Abbildungsleistung.
Die 16, 17, 19 und 21 zeigen das optische System bzw. das Supertele-Spiegelzoomobjektiv mit den Daten der Tabellen 5 und 6.
23 zeigt eine schematische Darstellung eines Bildaufnahmesystems 2300 mit einem Spiegelzoomobjektiv und zwei Bildsensoren entsprechend einem Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung. Das Objektiv des Bildaufnahmesystems 2300 basiert auf der Rechnung bzw. der optischen Anordnung des in 2 gezeigten Spiegelzoomobjektivs.
Die beiden Bildsensoren 2361, 2362 weisen eine unterschiedliche spektrale Empfindlichkeit auf. Dadurch kann beispielsweise eine Multispektralkamera mit zwei Bildsensoren 2361, 2362 realisiert werden. Wie bereits beschrieben, hat das in 2 gezeigte Spiegelobjektiv keine chromatischen Abbildungsfehler. Deshalb kann dieses Objektivdesign bzw. dieser Objektivaufbau für einen sehr breiten Wellenlängenbereich eingesetzt werden. Dazu sind beispielsweise die spektrale Empfindlichkeit der verwendeten Aufnahmesensoren bzw. Bildsensoren und die Reflektivität der Spiegelschichten bzw. Spiegelflächen auf die spektralen Anforderungen der im Vordergrund stehenden Anwendung abgestimmt. Unter Verwendung von beispielsweise breitbandig spiegelnden Metallschichten (z. B. Aluminium, Silber oder ähnliches) oder dielektrischen Schichten können Bilder in unterschiedlichen Spektralbereichen mit nahezu gleicher Güte aufgenommen werden.
Dazu wird der Strahlengang nach dem vierten Spiegel 140 mit einer Strahlteilerplatte 2370, die mit einer spektral selektiven Schicht versehen ist, aufgeteilt und auf die zwei Detektoren 2361, 2362 geführt. Es entstehen somit zwei Bilder in unterschiedlichen spektralen Bereichen auf den zwei Bildsensoren 2361, 2362. So kann beispielsweise ein Detektor 2361 im sichtbaren Spektralbereich (VIS) empfindlich sein, während der zweite Sensor bzw. Detektor 2362 für den infraroten Spektralbereich (IR) ausgelegt ist.
Eine Anwendung für das Bildaufnahmesystem bzw. das Spiegelzoomobjektiv mit zwei Bildsensoren ist beispielsweise im Bereich der multispektralen Feldüberwachung möglich. Konventionelle Feldüberwachungssysteme arbeiten oft entweder im sichtbaren oder im infraroten Spektralbereich, da die dort zum Einsatz kommenden Optiken häufig refraktive Komponenten mit chromatischen Abbildungsfehlern besitzen und somit auf eingeschränkte Spektralbereiche begrenzt sind. Hier bietet das beschriebene Spiegelobjektiv bzw. das Bildaufnahmesystem 2300 deutliche Vorteile. Die Möglichkeit aufgrund der nicht vorhandenen wellenlängenabhängigen Abbildungsfehler innerhalb eines breiten Spektralbereichs mit nahezu gleich bleibend hoher Qualität Bilder aufnehmen zu können schafft in Verbindung mit einer Zoomfunktion und dem Einsatz von mehr als einem Bildsensor für unterschiedliche Spektralbereiche zusätzliche Funktionalität. Aufgrund des Einsatzes von deformierbaren Spiegeln zur Brennweiteneinstellung und der daraus resultierenden großen Stabilität und geringen Baugröße ist das beschriebene Objektiv bzw. Bildaufnahmesystem 2300 beispielsweise für Feldüberwachungsaufgaben in einem rauen Umfeld geeignet.
24 zeigt eine schematische Darstellung eines Bildaufnahmesystems 2400 mit einem Spiegelzoomobjektiv mit kombiniertem Deckglas 2480 entsprechend einem Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung. Das Bildaufnahmesystem 2400 bzw. Kamerasystem basiert wiederum auf der in 2 gezeigten optischen Anordnung eines Spiegelzoomobjektivs.
Hier wird jedoch der Aperturspiegel bzw. der dritte Spiegel 130 mit dem Sensordeckglas 250 zu einem neuen optischen Funktionselement 2480 kombiniert. Dazu müssen, im Unterschied zu dem in 2 gezeigten Spiegelzoomobjektiv, die optische Achse 132 des Spiegels 130 und die optische Achse 2452 des Deckglases 250 parallel sein. Das kombinierte Deckglas 2480 weist dann beispielsweise auf einem Teil seiner Fläche nicht nur eine torische Krümmung auf, es ist weiterhin lateral partiell verspiegelt und muss in den meisten Fällen mit hoher Montagegenauigkeit zusammen mit dem Sensor 160 positioniert werden. Es ist auch möglich, die Kombination durch eine Montage des dritten Spiegels 130 auf einem geeigneten Deckglas 250 zu erreichen.
Durch die Kombination des dritten Spiegels 130 mit dem Deckglas 250 kann beispielsweise die Anzahl der notwendigen Komponenten für das Bildaufnahmesystem 2400 bzw. Kamerasystem reduziert und ein kompakterer Aufbau ermöglicht werden.
25 zeigt eine schematische Darstellung eines Bildaufnahmesystems 2500 mit einem Spiegelzoomobjektiv und einer zusätzlichen Offner-Relay-Anordnung entsprechend einem Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung. Das Bildaufnahmesystem 2500 bzw. Kamerasystem basiert ebenfalls auf der in 2 gezeigten optischen Anordnung für ein Spiegelzoomobjektiv.
Bei einer Anwendung beispielsweise im infraroten Spektralbereich ist zur Unterdrückung von Streulicht häufig eine so genannte kalte Blende („cold stop”) vorzusehen. Diese wird gewöhnlich in einer Austrittspupille des Systems angeordnet. Da das oben beschriebene System eine nahezu telezentrische Anordnung ist und sich damit seine Austrittspupille im Unendlichen befindet, wird bei diesem Bildaufnahmesystem 2500 eine Zwischenabbildung 2509 notwendig. Diese wird mit Hilfe einer als Relay-Optik bezeichneten Anordnung realisiert, die neben einer reellen Pupillenabbildung auch die Abbildung des Zwischenbilds 2509 auf dem Bildsensor 160 sicherstellt. Dabei ist festzuhalten, dass es sich bei der Zwischenabbildung 2509 nicht um eine Zwischenabbildung des Spiegelzoomobjektivs, sondern um eine Zwischenabbildung des Bildaufnahmesystems, das das Spiegelzoomobjektiv und die zusätzliche Offner-Relay-Anordnung, umfasst.
Um die Abbildungsqualität des Systems nicht unnötig zu verschlechtern, sind für diese Relay-Optik im Vergleich zum oben beschriebenen System lange Brennweiten notwendig. Einige Relay-Optik-Ansätze sind beispielsweise in „J. Michael Rodgers, Unobscured mirror designs, International Optical Design Conference 2002, Proc. of SPIE Bd. 4.832” zu finden. Bei Verwendung beispielsweise eines klassischen Offner-Aufbaus, wie z. B. in der US 3748015 A gezeigt, mit den zusätzlichen Spiegeln 2510 und 2511 liegt aufgrund der Brennweitenverhältnisse und Abstände die Austrittspupille des abbildenden Systems in der Ebene des konvexen Spiegels 2511 des Offner-Relay-Systems.
Einige Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung beziehen sich auf ein Spiegelzoomobjektiv mit zwei deformierbaren Spiegeln, ein Tele-Spiegelzoomobjektiv mit zwei deformierbaren Spiegeln, ein Supertele-Spiegelzoomobjektiv mit zwei deformierbaren Spiegeln, ein Bildaufnahmesystem bzw. eine Multispektralkamera mit zwei Bildsensoren, ein Spiegelzoomobjektiv und zwei Bildsensoren unterschiedlicher spektraler Empfindlichkeiten, ein Bildaufnahmesystem bzw. ein Kamerasystem mit Kombination von dem dritten Spiegel und dem Sensordeckglas, ein Spiegelzoomobjektiv mit kombiniertem Deckglas, ein Spiegelzoomobjektiv mit zusätzlicher Offner-Relay-Anordnung oder ein Bildaufnahmesystem bzw. ein Kamerasystem mit einem Spiegelzoomobjektiv mit zusätzlicher Zwischenabbildung für den infraroten Spektralbereich.
Weitere Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung beziehen sich auf ein Spiegelzoomobjektiv zur Verwendung in einem Kamerasystem, das als Helmkamera für Rettungskräfte ausgelegt ist. Auch hier bietet die Möglichkeit der hoch quali tativen multispektralen Abbildung mit einem Objektiv in Verbindung mit mehreren Bildsensoren für unterschiedliche Spektralbereiche deutliche Vorteile. Die Zoomfunktionalität ermöglicht es beispielsweise der Rettungskraft durch visuelle Prüfung mittels Kamera verrauchte oder mit Wasserdampf gefüllte Innenräume nach Verunglückten abzusuchen, ohne dass sich der Retter tastend durch das Gebäude vorarbeiten muss. Damit können z. B. Verunfallte leichter gefunden werden, ohne den Retter unnötig Gefahren auszusetzen. Diese Anwendung setzt robuste Systeme mit geringem Bauvolumen voraus. Durch die Verwendung von deformierbaren Spiegeln zur Brennweiteneinstellung können diese Anforderungen von dem beschriebenen Spiegelzoomobjektiv erfüllt werden.
Einige Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung beziehen sich auf eine Anwendung eines Spiegelzoomobjektivs im Bereich von Fahrerassistenzsystemen. Autofahrten im Nebel stellen heute immer noch ein erhöhtes Unfallrisiko dar. Die behinderte Sicht lässt Hindernisse oft zu spät erscheinen. Eine Möglichkeit der Fahrerassistenz ist eine Kamera, die in dem Teil des infraroten Spektralbereichs arbeitet, in dem Nebel transparent ist und somit eine erhöhte Sichtweite ermöglicht. Die Zoomfunktion erlaubt zusätzlich eine Anpassung des Bildwinkels an Gegebenheiten in der Umgebung, wie z. B. die Straßenbreite. Hier bietet die Verwendung von deformierbaren Spiegeln zur Brennweiteneinstellung deutliche Vorteile für den Einsatz im Automobil. Beispielsweise die größere Stabilität und das kleine Bauvolumen wirken sich hier positiv aus.
Weitere Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung beziehen sich auf eine Anwendung eines Spiegelzoomobjektivs im Bereich der Fernerkundung, wie beispielsweise die visuelle und multispektrale Luftbildaufnahme. Im Zuge der fortschreitenden Miniaturisierung werden zunehmend unbemannte Kleinflugzeuge eingesetzt. Auch dabei werden sehr hohe Anforderungen an die Kamera und das Objektiv hinsichtlich der optischen Auflösung und der mechanischen Stabilität gestellt. Daher ist es von Vorteil, anstatt der bisherigen verschiebbaren optischen Komponenten zur Realisierung der Zoomfunktionalität, deformierbare Elemente mit erhöhter Robustheit einzusetzen.
Weitere Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung beziehen sich auf eine Anwendung eines Spiegelobjektivs in ortsauflösenden Spektrometern, Hyper- oder Multispektral-Abbildungssystemen (Hyper- oder Multispectral Imaging System). Diese Systeme bestehen aus einem Objektiv und zum Beispiel einem System zur aktiven oder passiven spektralen Modulation des Bildes, der als abbildender Spektrograph oder abbildendes Spektrometer bezeichnet wird. Die örtliche spektrale Zusammensetzung des Bildes kann durch aktive Modulation (z. B. Fourier-Transformations-Spektrometer; Hadamard-Transformations-Spektrometer), durch passive Modulation (z. B. passives Hadamard-Transformations-Spektrometer), spektrale Aufspaltung (z. B. Gitter-Spektrometer) und/oder örtlichen und/oder spektralen Filterung (z. B. Filterrad-Spektrometer, Akusto-Optisches-Transformations-Spektrometer, Spektrometer mit Fabry-Perot-Interferonmeter) realisiert werden. Das Spiegelzoomobjektiv bietet dabei den Vorteil einer guten spektralbreitbandigen Abbildungsqualität, einem sehr guten Streulichtverhalten (Eliminierung von Geisterbildern), eines möglichen Einsatzes in verschiedenen Wellenlängenbereichen (z. B. ultraviolettem, sichtbaren und/oder infrarotem Spektralbereich) und einer Eliminierung von aufwändigen Breitband-Entspiegelungen. Zusätzlich bietet die Funktionalität des Spiegelobjektivs die Möglichkeit die im Vergleich zu normalen Kameras geringere örtliche Auflösung der Systeme optimal an den zu erfassenden Bildbereich anzupassen.
Als Geisterbilder bezeichnet man unscharfe oder geisterhafte Bilder heller Lichtquellen, die beispielsweise durch Reflexionen von Linsenoberflächen verursacht werden.
Weitere Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung beziehen sich auf eine Verwendung eines Spiegelzoomobjektivs in mobilen Geräten. Durch die beschriebenen Vorteile werden Applikationen adressierbar, wie beispielsweise in mobilen Geräten, die mit dem Stand der Technik nicht erreichbar sind.
Bei einigen Ausführungsbeispielen gemäß der Erfindung wird zum Einstellen der gewünschten Systembrennweite zunächst der erste Spiegel entsprechend der gewünschten Systembrennweite voreingestellt und danach mit dem vierten Spiegel das gewünschte Objekt fokussiert. Dabei kann der deformierbare erste Spiegel mit einem Sensor versehen werden, der eine Kontrolle des Krümmungszustands zulässt. Dieser Sensor kann z. B. als Dehnungsmessstreifen ausgeführt sein. Mittels einer Nachschlagetabelle (Look-Up-Tabelle) kann damit die gewünschte Krümmung entsprechend der geforderten Systembrennweite voreingestellt werden. Der zweite deformierbare Spiegel wird so eingestellt, dass das Objekt scharf auf dem Sensor bzw. Detektor abgebildet wird. Dazu kann beispielsweise ein Kontrastverfahren oder ein zusätzlicher Autofokussensor verwendet werden.
Bei einigen Ausführungsbeispielen gemäß der Erfindung kann eine vorhandene, brennweitenabhängige Verzeichnung (geometrischer Abbildungsfehler) des abschattungsfreien Spiegelzoomobjektivs bei ihrer Kenntnis mit einer Software nachträglich im Bild korrigiert werden.
Weitere Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung weisen Konstruktionen für die deformierbaren Spiegel auf, die bei einer Krümmungsänderung die Lage des Scheitels verändern, was in Verbindung mit einem Schiefspiegler eine laterale Verschiebung des Bildes auf dem Detektor zur Folge hat, die jedoch in den beschriebenen Spiegelobjektiven ausreichend klein bleibt.
Einige der Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung umfassen zur Reduktion von Falschlicht im Strahlengang geeignete Abschirmungen, wie beispielsweise Blenden und/oder Strahlfallen.
Weitere Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung umfassen einen deformierbaren Spiegel, der nur einen Aktuator zur Veränderung des Krümmungsradius aufweist. Solche deformierbaren Spiegel weisen einen kompakten Aufbau und eine einfache Ansteuerung auf.
Eine Beschreibung einer Positionierung von asphärischen und unter Umständen nicht symmetrischen Spiegelflächen im Strahlengang eines Schiefspieglers erweist sich im Vergleich zu rotationssymmetrischen Systemen als aufwändig. Da hier letztendlich keine optische Achse bzw. keine gemeinsame optische Achse für das gesamte Objektiv definiert werden kann und zusätzlich ein als Spiegel wirkendes Flächenstück selbst nicht unbedingt Symmetrien oder Vorzugsrichtungen besitzen muss, ist es schwierig, Abstände und Verkippungen unterschiedlicher optischer Elemente eindeutig bzw. koordinatenunabhängig anzugeben. Für eine teilweise Festlegung der Lage der optischen Flächen zueinander werden im Folgenden, wie in 26a und 26b gezeigt, jeweils ein Bezugspunkt 2610 auf einer Fläche und ein der Fläche zugeordneter Richtungsvektor 2620 definiert.
Von jedem Objektpunkt geht ein beispielsweise durch eine Aperturblende des optischen Systems begrenztes Strahlenbündel aus, welches auf den unterschiedlichen optischen Flächen jeweils eine bestimmte Fläche entsprechend dem Bündelquerschnitt einnimmt. Dieser Querschnitt ist im Allgemeinen für unterschiedliche Objektpunkte nach Lage und Größe auf einer Spiegelfläche verschieden. Die Gesamtheit aller Bündelquerschnitte auf einer Fläche bildet den optisch aktiven Anteil 2630 der Funktionsfläche. Die optisch aktive Fläche 2630 wird nun derart in eine Ebene, die den Schwerpunkt 2650 der Fläche enthält, projiziert, dass die Fläche der Projektion ein Maximum einnimmt. Die so gebildete ebene Projektionsfläche wird dann entlang der Richtung ihres Normalenvektors 2620 so verschoben, dass der Flächenschwerpunkt 2650 gerade in der ursprünglichen optisch aktiven Fläche 2630 liegt. Auf diese Weise wird dem optisch aktiven Teil 2630 der Fläche und somit auch der Spiegelfläche selbst ein Referenzpunkt 2610 und über den Normalenvektor 2620 der Projektionsfläche eine Orientierung, d. h. ein Richtungsvektor 2620 im Raum, zugeordnet. Die 26a und 26b zeigen somit eine Festlegung eines Bezugspunkts 2610 und eines Richtungsvektors 2620 für die optisch aktive Fläche 2630 eines optischen Funktionselements.
Mit Hilfe der Referenzpunkte kann, wie in 27 und 28 gezeigt, eine Referenzebene 2710, welche die Referenzpunkte 2730, 2740, 2750 von mindestens drei Spiegeln enthält, zur Festlegung einer Vorzugsrichtung bezogen auf das Bildfeld konstruiert werden. Mit einem Winkel zwischen dem Richtungsvektor eines Spiegels und einer Flächennormalen 2720 der gemeinsamen Referenzebene 2710 wird dann die Verkippung gegenüber der Referenzebene 2710 festgelegt. Dies ist in den 27 und 28 für den ersten bis vierten Spiegel 110, 120, 130, 140 durch die Winkel β₁, β₂, β₃, β₄ und die Richtungsvektoren r →1, r →2, r →3, r →4 dargestellt.
27 zeigt als Beispiel eine schematische Darstellung einer optischen Anordnung zur Definition von Bezugsgrößen, bei der die Winkel β₁ bis β₄ alle 90° aufweisen. Die Richtungsvektoren r →1 bis r →4 liegen somit in der Referenzebene 2710, die durch den Referenzpunkt 2730 des ersten Spiegels 110, den Referenzpunkt 2740 des dritten Spiegels 130 und den Referenzpunkt 2750 des vierten Spiegels 140 aufgespannt wird. Neben dem ersten bis vierten Spiegel zeigt 27 eine Anordnung eines Sensordeckglases 250.
Im Unterschied zu 27 zeigt 28 als Beispiel eine Anordnung des ersten bis vierten Spiegels 110, 120, 130, 140, bei der die Winkle β₁ bis β₄ ungleich 90° sind und somit nicht in der Referenzebene 2710 liegen. Die Referenzebene wird wiederum durch die Referenzpunkte 2730, 2740, 2750 des ersten, dritten und vierten Spiegels aufgespannt. Zusätzlich ist die Anordnung eines Sensordeckglases 250 und eines Bildsensors 160 dargestellt.
Die Verdrehung innerhalb der gemeinsamen Referenzebene 2710 kann durch jeweils einen zusätzlichen Winkel zwischen einer Hauptsymmetrierichtung in der Ebene und dem Richtungsvektor festgelegt werden.
Zu Gunsten einer Implementierung für eine Optikrechnung können leicht modifizierte Größen zur Lagebeschreibung der Komponenten des Spiegelobjektivs herangezogen werden. Dieser Sachverhalt beeinträchtigt jedoch die oben gegebenen Definitionen nicht, da ein eindeutiger Zusammenhang zwischen den entsprechenden Größen besteht.
Einige Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung entsprechen in ihrer Anordnung der in 27 gezeigten Anordnung. In 27 ist räumlich dargestellt, dass die Winkel β₁ bis β₄ zwischen der Normalen 2720 der durch die Bezugspunkte 2730, 2740, 2750 aufgespannten Referenzebene 2710 und den Richtungsvektoren r →1 bis r →4 einen Wert von 90° aufweisen. Somit liegen die Richtungsvektoren r →1 bis r →4 in einer Ebene bzw. in der Bezugsebene 2710. Die in 1 bis 25 dargestellten Ausführungsbeispiele entsprechen in ihrer Anordnung den in 27 gezeigten Verhältnissen mit Winkeln β₁ bis β₄ von 90°.
Bei einigen Ausführungsbeispielen gemäß der Erfindung weisen die Winkel β₁ bis β₄, wie in 28 gezeigt, zwischen der Normalen 2720 der durch die Bezugspunkte 2730, 2740, 2750 aufgespannten Referenzebene 2710 und den Richtungsvektoren r →1 bis r →4 einen Wert ungleich 90° auf. Damit liegen die Richtungsvektoren r →1 bis r →4 nicht in einer Ebene bzw. in der Bezugsebene 2710. Eine solche Anordnung kann beispielsweise einen kompakteren Aufbau ermöglichen, andererseits können sich durch diese Anordnung größere Bildfehler ergeben.
Einige Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung umfassen ein zentralabschattungsfreies Spiegelobjektiv mit variablem Bildwinkel bestehend aus einem ersten Spiegel bzw. einem ersten deformierbaren Spiegel, einem zweiten Spiegel bzw. einem zweiten entweder deformierbaren oder starren Spiegel, einem dritten Spiegel bzw. einem dritten entweder deformierbaren oder starren Spiegel, und einem vierten Spiegel bzw. einem vierten deformierbaren Spiegel, wobei die Winkel β₁ bis β₄ zwischen einer Normalen 2720 der durch drei der vier Bezugspunkte aufgespannten Bezugsebene 2710 und den Richtungsvektoren r →1 bis r →4 einen Betrag zwischen 60° und 120° einschließen.
Entsprechend einem Aspekt umfassen manche Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung ein zentralabschattungsfreies Spiegelobjektiv mit variablem Bildwinkel bestehend aus einem ersten Spiegel bzw. einem ersten deformierbaren Spiegel 110, einem zweiten Spiegel bzw. einem zweiten starren Spiegel 120, dessen Fläche asphärisch ist, einem dritten Spiegel bzw. einem dritten starren Spiegel 130, dessen Fläche asphärisch ist, und einem vierten Spiegel bzw. einem vierten deformierbaren Spiegel 140, wobei die Winkel β₁ bis β₄ zwischen der Normalen 2720 der durch drei der vier Bezugspunkte aufgespannten Bezugsebene 2710 und den Richtungsvektoren r →1 bis r →4 einen Betrag zwischen 60° und 120° einschließen.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann bei dem Spiegelobjektiv die Deformation der deformierbar ausgeführten Spiegel aus einer Änderung des Krümmungsradius und/oder der konischen Konstante und/oder höheren Ordnungen bestehen.
Entsprechend einem anderen Aspekt kann bei dem Spiegelobjektiv der deformierbare vierte Spiegel für alle Deformationszustände konkav gekrümmt sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann bei dem Spiegelobjektiv der dritte Spiegel die Funktion einer Aperturblende aufweisen.
Entsprechend einem anderen Aspekt kann bei dem Spiegelobjektiv der dritte Spiegel eine torische oder bikonische Fläche aufweisen.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann bei dem Spiegelobjektiv der erste Spiegel bzw. der erste deformierbare Spiegel plan oder konvex sein und der Betrag seines Krümmungsradius größer als das 0,9-fache der minimalen Systembrennweite sein und eine konische Konstante aufweisen, die größer oder gleich 0 ist, wobei die Länge der Konstruktionsachse (e₁) zwischen dem ersten Spiegel und dem zweiten Spiegel zwischen dem 1-fachen und dem 10-fachen der minimalen Systembrennweite liegt. Zusätzlich ist der zweite Spiegel bzw. der asphärische zweite Spiegel konkav und der Betrag seines Krümmungsradius liegt zwischen dem 2-fachen und dem 20-fachen der minimalen Systembrennweite und der Betrag der Lateralverschiebung (d₂) seiner mechanischen Mittenachse vom Auftreffpunkt der Konstruktionsachse (e₁) ist kleiner als die 2-fache minimale Systembrennweite, wobei die Länge der Konstruktionsachse (e₂) zwischen dem zweiten Spiegel und dem dritten Spiegel zwischen dem 0,5-fachen und dem 6-fachen der minimalen Systembrennweite liegt, und wobei die Länge der Konstruktionsachse (e₃) zwischen dem dritten Spiegel und dem vierten Spiegel zwischen dem 0,5-fachen und dem 6-fachen der minimalen Systembrennweite liegt. Des Weiteren ist der vierte Spiegel bzw. deformierbare vierte Spiegel konkav und der Betrag seines Krümmungsradius liegt zwischen dem 1-fachen und dem 15-fachen der minimalen Systembrennweite und weist eine konische Konstante, die größer oder gleich 0 ist, auf, wobei die Länge der Konstruktionsachse (e₄) zwischen dem vierten Spiegel und dem Sensordeckglas zwischen dem 0,5-fachen und dem 10-fachen der minimalen Systembrennweite liegt.
Entsprechend einem anderen Aspekt kann bei dem Spiegelobjektiv der erste Spiegel bzw. der erste deformierbare Spiegel plan oder konkav sein und der Betrag seines Krümmungsradius größer als das 0,9-fache der minimalen Systembrennweite sein und eine konische Konstante aufweisen, die größer oder gleich 0 ist, wobei die Länge der Konstruktionsachse (e₁) zwischen dem ersten Spiegel und dem zweiten Spiegel zwischen dem 1-fachen und dem 10-fachen der minimalen Systembrennweite liegt. Zusätzlich ist der zweite Spiegel bzw. der asphärische zweite Spiegel konvex und der Betrag seines Krümmungsradius liegt zwischen dem 2-fachen und dem 20-fachen der minimalen Systembrennweite und der Betrag der Lateralverschiebung (d₂) seiner mechanischen Mittenachse vom Auftreffpunkt der Konstruktionsachse (e₁) ist kleiner als die 2-fache minimale Systembrennweite, wobei die Länge der Konstruktionsachse (e₂) zwischen dem zweiten Spiegel und dem dritten Spiegel zwischen dem 0,5-fachen und dem 6-fachen der minimalen Systembrennweite liegt, und wobei die Länge der Konstruktionsachse (e₃) zwischen dem dritten Spiegel und dem vierten Spiegel zwischen dem 0,5-fachen und dem 6-fachen der minimalen Systembrennweite liegt. Des Weiteren ist der vierte Spiegel bzw. der deformierbare vierte Spiegel konkav und der Betrag seines Krümmungsradius liegt zwischen dem 1-fachen und dem 15-fachen der minimalen Systembrennweite und weist eine konische Konstante, die größer oder gleich 0 ist, auf, wobei die Länge der Konstruktionsachse (e₄) zwischen dem vierten Spiegel und dem Sensordeckglas zwischen dem 0,5-fachen und dem 10-fachen der minimalen Systembrennweite liegt.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann bei dem Spiegelobjektiv zum Fokussieren die Änderung der Krümmung des vierten Spiegels verwendet werden.
Entsprechend einem anderen Aspekt kann bei dem Spiegelobjektiv unmittelbar vor dem dritten Spiegel bzw. asphäri schen dritten Spiegel eine in ihrer Öffnung variable Aperturblende angeordnet sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt können bei dem Spiegelobjektiv die Verspiegelungsschichten des ersten bis vierten Spiegels metallische Schichten, dielektrische Schichten oder dielektrische Schichtstapel oder eine Kombination aus metallischen und dielektrischen Schichten aufweisen.
Entsprechend einem anderen Aspekt kann bei dem Spiegelobjektiv die spektrale Reflektivität der Verspiegelungsschichten an einen Wellenlängenbereich angepasst sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann bei dem Spiegelobjektiv mindestens ein deformierbarer Spiegel mindestens einen Sensor aufweisen, der eine Aussage über seinen Deformationszustand liefert.
Entsprechend einem anderen Aspekt kann bei dem Spiegelobjektiv im Strahlengang mindestens eine weitere Blende, die nicht als Aperturblende wirkt, so geformt und angeordnet sein, dass Streulicht reduziert wird. Die weitere Blende kann dabei als separates optisches Bauelement ausgelegt sein oder beispielsweise durch innen liegende Flächen eines Gehäuses des Spiegelobjektivs realisiert sein. Die Blende kann dabei Streulicht absorbierende Flächen aufweisen. Es ist jedoch auch beispielsweise möglich, Flächen der Blende oder des Gehäuses mit reflektierenden Schichten auszubilden, um Streulicht auf andere Flächen abzulenken, die dann ihrerseits Streulicht absorbierende Schichten aufweisen.
Gemäß einem weiteren Aspekt können bei dem Spiegelobjektiv vor dem ersten Spiegel und/oder nach dem vierten Spiegel weitere optische Funktionselemente angeordnet sein.
Entsprechend einem anderen Aspekt können bei dem Spiegelobjektiv die optischen Funktionselemente reflektive und/oder refraktive und/oder diffraktive Eigenschaften aufweisen und/oder die Intensität und/oder die Polarisation und/oder die spektralen Eigenschaften der elektromagnetischen Strahlung beeinflussen, also beispielsweise Spiegel, Fenster, Filter, Polarisatoren und/oder Linsen, prismatische Körper und/oder Beugungsgitter und/oder photonische Kristalle umfassen.
Gemäß einem weiteren Aspekt können bei dem Spiegelobjektiv zwischen dem ersten bis vierten Spiegel weitere planoptische Funktionselemente angeordnet sein.
Entsprechend einem anderen Aspekt können bei dem Spiegelobjektiv die planoptischen Funktionselemente Spiegel und/oder Fenster und/oder Filter und/oder Polarisatoren und/oder prismatische Körper sein.
Einige Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung beziehen sich auf ein Bildaufnahmesystem bestehend aus einem zentralabschattungsfreien Spiegelobjektiv mit variablem Bildwinkel und mindestens einem Sensor oder Detektor zur Erfassung elektromagnetischer Strahlung mit mindestens einem Element und einer Ausleseelektronik für den Sensor oder Detektor.
Entsprechend einem Aspekt umfassen manche Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung ein Bildaufnahmesystem, bei dem der Strahlengang vor dem Bildsensor mit einem Strahlteiler spektral selektiv auf mindestens einen weiteren Bildsensor gelenkt wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann bei dem Bildaufnahmesystem der dritte Spiegel und das Deckglas zu einem optischen Bauteil kombiniert sein.
Entsprechend einem weiteren Aspekt kann das Bildaufnahmesystem einen Autofokussensor aufweisen.
Einige Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung beziehen sich auf ein ortsauflösendes Spektrometer oder ein Hyper-Spektral-Abbildungssystem (Hyper-Spectral-Imaging-System) oder ein Multi-Spektral-Abbildungssystem (Multi-Spectral-Imaging-System), bestehend aus einem zentralabschattungsfreien Spiegelobjektiv mit variablem Bildfeld und mindestens einem System und/oder Bauelement und/oder Baugruppe zur aktiven Modulation und/oder passiven Modulation und/oder Filterung der spektralen und/oder örtlichen Strahlungsverteilung und einem Detektor für elektromagnetische Strahlung mit mindestens einem Element zur Bildaufnahme.
Bei einigen Ausführungsbeispielen werden der Bildsensor bzw. Detektor und der Begriff Bildebene für das gleiche Element verwendet, da ein Bildsensor normalerweise an dem Ort der Bildebene angeordnet wird. Der Bildsensor ist aber kein zwingender Bestandteil des Spiegelzoomobjektivs. Wird das Spiegelzoomobjektiv beispielsweise in einem Bildaufnahmesystem verwendet, kann ein Bildsensor auch erst an einer nach der Bildebene des Spiegelzoomobjektivs befindlichen weiteren Bildebene des Bildaufnahmesystems angeordnet sein. Die Bildebene des Spiegelzoomobjektivs stellt dann eine Zwischenbildebene des Bildaufnahmesystems dar.
Schließlich sei noch erwähnt, dass unter dem oben verwendeten Begriff der Systembrennweite bzw. Gesamtbrennweite eines Objektivs beispielsweise der Abstand der bildseitigen Hauptebene zum bildseitigen Brennpunkt verstanden werden kann.
Des Weiteren ist die optische Achse einer rotationssymmetrischen Fläche gleich einer Symmetrieachse, die durch den Scheitelpunkt und den Krümmungsmittelpunkt der Fläche verläuft. Bei Flächen, die keine Symmetrieachse aufweisen, kann die optische Achse durch einen Richtungsvektor, wie in 26 gezeigt, definiert sein. Die optische Achse wird hier auch mechanische Mittenachse bezeichnet.
Der Begriff Bildfeld bezeichnet einen Teil der Bildebene, der vom Bildkreis begrenzt wird, nämlich den Teil der Bildebene, auf den das Objektiv mit ausreichender Bildqualität abbildet. Das Bildfeld muss dabei nicht notwendigerweise kreisförmig sein.
Unter Schärfentiefe versteht man den Bereich im Objektraum vor und hinter einem fokussierten Objekt, in dem ein Bild scharf dargestellt wird. Beispielsweise ist das der Fall, so lange ein punktförmiges Objekt auf eine Fläche abgebildet wird die kleiner als ein Pixel oder Pixelcluster eines Bildsensors ist.
Unter dem Begriff „wellenlängenunabhängig” ist in Zusammenhang mit dem beschriebenen Spiegelzoomobjektiv zu verstehen, dass sich in einem ausgedehnten Bereich des elektromagnetischen Wellenspektrums, der beispielsweise den ultravioletten, sichtbaren und infraroten Spektralbereich umfasst, keine erkennbaren wellenlängenabhängigen Abbildungsfehler ergeben.
Insbesondere wird darauf hingewiesen, dass abhängig von den Gegebenheiten, das erfindungsgemäße Schema bzw. Teile der Bildkorrektur auch in Software implementiert sein kann. Die Implementation kann auf einem digitalen Speichermedium, insbesondere einer Diskette oder einer CD mit elektronisch auslesbaren Steuersignalen erfolgen, die so mit einem programmierbaren Computersystem zusammenwirken können, dass das entsprechende Verfahren ausgeführt wird. Allgemein besteht die Erfindung somit auch in einem Computerprogrammprodukt mit auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Rechner abläuft. In anderen Worten ausgedrückt, kann die Erfindung somit als ein Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens realisiert werden, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer abläuft.

Claims

Zentralabschattungsfreies Spiegelobjektiv (100; 200; 300; 500; 700; 900; 1000; 1200; 1400; 1600; 1700; 1900; 2100) mit einem variablen Bildwinkel, mit folgenden Merkmalen: einem ersten Spiegel (110), der als deformierbarer Spiegel ausgelegt ist; einem zweiten Spiegel (120), dessen Spiegelfläche eine asphärische Form aufweist; einem dritten Spiegel (130), dessen Spiegelfläche eine asphärische Form aufweist; einem vierten Spiegel (140), der als deformierbarer Spiegel ausgelegt ist, wobei der erste bis vierte Spiegel so angeordnet sind, dass zumindest zwei Spiegel der ersten bis vierten Spiegel eine unterschiedliche optische Achse (112, 122, 132, 142) aufweisen, und dass sich ein gefalteter Strahlengang von dem ersten Spiegel (110), über den zweiten Spiegel (120) und über den dritten Spiegel (130) zu dem vierten Spiegel (140) erstreckt, wobei der erste bis vierte Spiegel so angeordnet und geformt sind, dass sich in dem Strahlengang (102) zwischen dem ersten Spiegel (110) und dem vierten Spiegel (140) keine Zwischenbildebene befindet, und wobei der erste Spiegel (110) und der vierte Spiegel (140) so deformierbar sind, dass durch eine Deformation der Spiegelfläche des ersten Spiegels (110) kombiniert mit einer Deformation der Spiegelfläche des vierten Spiegels (140) der Bildwinkel des Objektivs verändert wird und dabei eine Position einer Bildebene (160) des zentralabschattungsfreien Spiegelobjektivs in einem Bereich einer Schärfentiefe unverändert bleibt.
Zentralabschattungsfreies Spiegelobjektiv mit einem variablen Bildwinkel gemäß Anspruch 1, bei dem der erste Spiegel (110) und der vierte Spiegel (140) eine rotationssymmetrische Spiegelfläche aufweisen.
Zentralabschattungsfreies Spiegelobjektiv mit einem variablen Bildwinkel gemäß Anspruch 1 oder 2, das nur reflektive abbildende oder ablenkende Elemente umfasst.
Zentralabschattungsfreies Spiegelobjektiv mit einem variablen Bildwinkel gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ausschließlich der erste und der vierte Spiegel zur Veränderung des Bildwinkels des Objektivs durch die Deformation des ersten Spiegels (110) und die Deformation des vierten Spiegels (140) beitragen, wobei die Position der Bildebene (160) des zentralabschattungsfreien Spiegelobjektivs im Rahmen der Schärfentiefe unverändert bleibt.
Zentralabschattungsfreies Spiegelobjektiv mit einem variablen Bildwinkel gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der zweite Spiegel (120) oder der dritte Spiegel (130) eine bikonische oder torische Form aufweisen.
Zentralabschattungsfreies Spiegelobjektiv mit einem variablen Bildwinkel gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der zweite Spiegel (120) und der dritte Spiegel (130) starre Spiegel sind.
Zentralabschattungsfreies Spiegelobjektiv (200; 900) mit einem variablen Bildwinkel gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, mit folgenden weiteren Merkmalen: dem ersten Spiegel (110), der eine plane oder konvexe Spiegelfläche aufweist, deren Betrag des Krümmungsradius größer als das 0.9-fache der minimalen Systembrennweite ist und deren konische Konstante größer oder gleich Null ist; einer ersten Konstruktionsachse (e₀), die entlang des Strahlengangs (102) auf den ersten Spiegel (110) trifft; einer zweiten Konstruktionsachse (e₁), die entlang des Strahlengangs von dem ersten Spiegel (110) in einem Auftreffpunkt auf den zweiten Spiegel (120) trifft; dem zweiten Spiegel (120), der eine konkave Spiegelfläche aufweist, deren Betrag des Krümmungsradius zwischen dem 2-fachen und dem 20-fachen der minimalen Systembrennweite liegt und deren Betrag einer Lateralverschiebung (d2) ihrer optischen Achse (122) von dem Auftreffpunkt der zweiten Konstruktionsachse (e₁) auf den zweiten Spiegel (120), gemessen orthogonal zur optischen Achse (122) des zweiten Spiegels (120), kleiner als die 2-fache minimale Systembrennweite ist, wobei die Länge der zweiten Konstruktionsachse (e₁) zwischen dem ersten Spiegel (110) und dem zweiten Spiegel (120) zwischen dem 1-fachen und dem 10-fachen der minimalen Systembrennweite liegt, und einer dritten Konstruktionsachse (e₃), die entlang des Strahlengangs (102) von dem zweiten Spiegel (120) auf den dritten Spiegel (130) trifft, wobei die Länge der dritten Konstruktionsachse (e₂) zwischen dem zweiten Spiegel (120) und dem dritten Spiegel (130) zwischen dem 0,5-fachen und dem 6-fachen der minimalen Systembrennweite liegt; einer vierten Konstruktionsachse (e₃), die entlang des Strahlengangs (102) von dem dritten Spiegel (130) in einem Auftreffpunkt auf den vierten Spiegel (140) trifft; dem vierten Spiegel (140), der eine konkave Spiegelfläche aufweist, deren Betrag des Krümmungsradius zwischen dem 1-fachen und dem 15-fachen der minimalen Systembrennweite liegt und deren konische Konstante größer oder gleich Null ist, wobei die Länge der vierten Konstruktionsachse (e₃) zwischen dem dritten Spiegel (130) und dem vierten Spiegel (140) zwischen dem 0,5-fachen und dem 6-fachen der minimalen Systembrennweite liegt; und einer fünften Konstruktionsachse (e₄), die entlang des Strahlengangs (102) von dem vierten Spiegel (140) auf die Bildebene trifft, wobei die Länge der fünften Konstruktionsachse (e₄) zwischen dem vierten Spiegel (140) und der Bildebene (160) zwischen dem 0,5-fachen und dem 10-fachen der minimalen Systembrennweite liegt.
Zentralabschattungsfreies Spiegelobjektiv (1600) mit einem variablen Bildwinkel gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, mit folgenden weiteren Merkmalen: dem ersten Spiegel (110), der eine plane oder konkave Spiegelfläche aufweist, deren Betrag des Krümmungsradius größer als das 0,9-fache der minimalen System brennweite ist und deren konische Konstante größer oder gleich Null ist; einer ersten Konstruktionsachse (e₀), die entlang des Strahlengangs (102) auf den ersten Spiegel (110) trifft; einer zweiten Konstruktionsachse (e₁), die entlang des Strahlengangs (102) von dem ersten Spiegel (110) in einem Auftreffpunkt auf den zweiten Spiegel (120) trifft; dem zweiten Spiegel (120), der eine konvexe Spiegelfläche aufweist, deren Betrag des Krümmungsradius zwischen dem 2-fachen und dem 20-fachen der minimalen Systembrennweite liegt und deren Betrag einer Lateralverschiebung (d₂) ihrer optischen Achse (122) von dem Auftreffpunkt der zweiten Konstruktionsachse (e₁) auf den zweiten Spiegel (120), gemessen orthogonal zur optischen Achse (122) des zweiten Spiegels (120), kleiner als die 2-fache minimale Systembrennweite ist, wobei die Länge der zweiten Konstruktionsachse (e₁) zwischen dem ersten Spiegel (110) und dem zweiten Spiegel (120) zwischen dem 1-fachen und dem 10-fachen der minimalen Systembrennweite liegt, und einer dritten Konstruktionsachse (e₂), die entlang des Strahlengangs (102) von dem zweiten Spiegel (120) auf den dritten Spiegel (130) trifft, wobei die Länge der dritten Konstruktionsachse (e₂) zwischen dem zweiten Spiegel (120) und dem dritten Spiegel (130) zwischen dem 0,5-fachen und dem 6-fachen der minimalen Systembrennweite liegt; einer vierten Konstruktionsachse (e₃), die entlang des Strahlengangs (102) von dem dritten Spiegel (130) in einem Auftreffpunkt auf den vierten Spiegel (140) trifft; dem vierten Spiegel (140), der eine konkave Spiegelfläche aufweist, deren Betrag des Krümmungsradius zwischen dem 1-fachen und dem 15-fachen der minimalen Systembrennweite liegt und deren konische Konstante größer oder gleich Null ist, wobei die Länge der vierten Konstruktionsachse (e₃) zwischen dem dritten Spiegel (130) und dem vierten Spiegel (140) zwischen dem 0,5-fachen und dem 6-fachen der minimalen Systembrennweite liegt; und einer fünften Konstruktionsachse (e₄), die entlang des Strahlengangs (102) von dem vierten Spiegel (140) auf die Bildebene (160) trifft, wobei die Länge der fünften Konstruktionsachse (e₄) zwischen dem vierten Spiegel (140) und der Bildebene (160) zwischen dem 0,5-fachen und dem 10-fachen der minimalen Systembrennweite liegt.
Zentralabschattungsfreies Spiegelobjektiv mit einem variablen Bildwinkel gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der vierte Spiegel (140) für alle Deformationszustände eine konkave Krümmung aufweist.
Zentralabschattungsfreies Spiegelobjektiv mit einem variablen Bildwinkel gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem der dritte Spiegel (130) funktional als eine Aperturblende ausgebildet ist.
Zentralabschattungsfreies Spiegelobjektiv mit einem variablen Bildwinkel gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem die Deformation des ersten Spiegels (110) und die Deformation des vierten Spiegels (140) durch eine Änderung des Krümmungsradius, der konischen Konstante oder von höheren Ordnungen erfolgt.
Zentralabschattungsfreies Spiegelobjektiv mit einem variablen Bildwinkel gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, das eine Aperturblende mit variabler Öffnung aufweist, die in dem Strahlengang vor dem dritten Spiegel (130) angeordnet ist.
Zentralabschattungsfreies Spiegelobjektiv mit einem variablen Bildwinkel gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem der vierte Spiegel (140) ausgelegt ist, um durch eine Änderung der Krümmung seiner Spiegelfläche eine Fokussierung zu ermöglichen.
Zentralabschattungsfreies Spiegelobjektiv mit einem variablen Bildwinkel gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem die Spiegelflächen des ersten bis vierten Spiegels eine metallische Schicht, eine dielektrische Schicht, einen dielektrischen Schichtstapel oder eine Kombination aus einer metallischen und einer dielektrischen Schicht aufweisen.
Zentralabschattungsfreies Spiegelobjektiv mit einem variablen Bildwinkel gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, bei dem die spektrale Reflektivität einer Spiegelfläche an einen Wellenlängenbereich angepasst ist.
Zentralabschattungsfreies Spiegelobjektiv mit einem variablen Bildwinkel gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17, bei dem ein deformierbarer Spiegel einen Sensor aufweist, der ausgelegt ist, um den Deformationszustand des deformierbaren Spiegels zu detektieren.
Zentralabschattungsfreies Spiegelobjektiv mit einem variablen Bildwinkel gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16, das eine Blende aufweist, die angeordnet ist, um Streulicht zu reduzieren.
Zentralabschattungsfreies Spiegelobjektiv mit einem variablen Bildwinkel gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17, das ein weiteres optisches Funktionselement aufweist, das vor dem ersten Spiegel (110) oder nach dem vierten Spiegel (140) angeordnet ist.
Zentralabschattungsfreies Spiegelobjektiv mit einem variablen Bildwinkel gemäß einem der Ansprüche 1 bis 18, das ein weiteres planoptisches Funktionselement aufweist, das in dem Strahlengang (102) zwischen dem ersten Spiegel (110) und dem vierten Spiegel (140) angeordnet ist.
Zentralabschattungsfreies Spiegelobjektiv mit einem variablen Bildwinkel gemäß Anspruch 19, bei dem das weitere planoptische Funktionselement ein Spiegel, ein Fenster, ein Filter, ein Element zur Beeinflussung der Polarisation von elektromagnetischer Strahlung oder ein prismatischer Körper ist.
Bildaufnahmesystem (2300; 2400; 2500) mit folgenden Merkmalen: einem zentralabschattungsfreien Spiegelobjektiv mit einem variablen Bildwinkel gemäß einem der Ansprüche 1 bis 20; einem Sensor oder Detektor zur Erfassung elektromagnetischer Strahlung mit mindestens einem Element; und einer Ausleseelektronik für den Sensor oder Detektor.
Bildaufnahmesystem (2300) gemäß Anspruch 21, das einen spektral selektiven Strahlteiler (2370) aufweist, wobei der Strahlteiler nach dem vierten Spiegel (140) und vor dem Sensor oder Detektor angeordnet ist.
Bildaufnahmesystem (2300) gemäß Anspruch 22, das nach dem Strahlteiler (2370) mindestens zwei Detektoren (2361, 2362) zur Erfassung elektromagnetischer Strahlung aufweist, wobei die Detektoren für die Erfassung von elektromagnetischer Strahlung unterschiedlicher Wellenlängenbereiche ausgelegt sind.
Bildaufnahmesystem (2400) gemäß Anspruch 21, das ein Deckglas (250) aufweist, wobei das Deckglas (250) und der dritte Spiegel (130) als ein gemeinsames optisches Bauteil (2480) ausgebildet sind.
Bildaufnahmesystem gemäß einem der Ansprüche 21 bis 24, das einen Autofokussensor aufweist.
Ortsauflösendes Spektrometer mit folgenden Merkmalen: einem zentralabschattungsfreien Spiegelobjektiv mit einem variablen Bildwinkel gemäß einem der Ansprüche 1 bis 20; einem Element zur Modulation oder zur Filterung von elektromagnetischer Strahlung; und einem Detektor für elektromagnetische Strahlung mit mindestens einem Element zur Bildaufnahme.
Verfahren zum Betreiben eines zentralabschattungsfreien Spiegelobjektivs gemäß einem der Ansprüche 1 bis 20 mit folgendem Schritt: Deformation der Spiegelfläche des ersten Spiegels (110) kombiniert mit einer Deformation der Spiegelfläche des vierten Spiegels (140), um den Bildwinkel des Objektivs zu verändern und dabei die Position der Bildebene (160) des zentralabschattungsfreien Spiegelobjektivs in dem Bereich der Schärfentiefe unverändert zu lassen.
Verfahren zum Betreiben eines zentralabschattungsfreien Spiegelobjektivs gemäß Anspruch 27 mit folgenden weiteren Schritten: Aufnahme einer Abbildung durch einen Bildsensor; und Korrektur eines Bildfehlers der Abbildung durch eine Bearbeitung der Aufnahme der Abbildung mit Hilfe eines Computerprogramms.