DE19613009A1

DE19613009A1 - Katadioptrisches Objektiv

Info

Publication number: DE19613009A1
Application number: DE1996113009
Authority: DE
Inventors: Frank Gallert
Original assignee: Individual
Current assignee: Gallert Frank De
Priority date: 1996-03-25
Filing date: 1996-03-25
Publication date: 1997-12-11
Anticipated expiration: 2016-03-26
Also published as: DE19613009B4

Description

Die Erfindung geht aus von einem Objektiv nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. Das erfindungsgemäße Objektiv kann bei 1000 Millimeter Brennweite für die Mittelformat fotografie und bei 500 Millimeter Brennweite für die Kleinbildfotografie dienen.

Grundlegend geht die Erfindung aus vom sogenannten Houghton-Cassegrain. Dieser ist eine um einen Zerstreuungsspiegel erweiterte Abwandlung der sogenannten Houghton-Kamera. Diese wurde 1944 von James L. Houghton vorgeschlagen - US-Patent 2,350,112. Hierbei wird der Schmidt-Korrektor, der sich im Krümmungsmittelpunkt eines sphärischen Spiegels befindet, ersetzt durch ein afokales Linsenglied aus 2 oder 3 Linsen aus gleichem optischen Material. Dieses Linsenglied beseitigt die sphärische Unterkorrektion des sphärischen Sammel spiegels ohne wesentliche Farbfehler einzuführen. Bedingt durch die Lage des Korrektors sind auch Koma und Astigmatismus hinreichend vermieden. Bei der verkürzten Ausführung mit einem sphärischen Zerstreuungsspiegel im sogenannten Houghton-Cassegrain läßt sich immerhin noch die Koma korrigieren. In seiner kompakten Ausführung wird der Korrektor aus einer bikonvexen und einer nachfolgenden bikonkaven Linse gebildet, auf deren Hinterflä che der Zerstreuungsspiegel aufgekittet ist. Diese grundlegende Design hat einige Abwandlun gen erfahren. Soll zum Beispiel der Zerstreuungsspiegel und die Hinterfläche der zweiten Linse des Korrektors eine durchgängige Fläche bilden, so wird der Korrektor in der Reihen folge des Lichteinfalls aus einem konvexen, sammelnden und einem nachfolgenden konkaven, zerstreuenden Meniskus gebildet. So aufgebaut ist das von W. Mandler angegebene Objektiv, Patent US 2,726,574, bei dem ein weiterer afokaler Korrektor in der Bohrung des sphärischen Sammelspiegels angeordnet ist. Allerdings ist in den dort gegebenen Ausführungsbeispielen die Petzvalsumme nicht korrigiert - anscheinend um eine hohe Brennweitenverlängerung durch den Zerstreuungsspiegel zu erreichen und damit eine große Schnittweite nach der Reflexion. Da der Zerstreuungsspiegel stärker als der Sammelspiegel gekrümmt ist und die beiden afoka len Korrektoren keinen Beitrag zur Petzvalsumme liefern, ist diese unvollkommen korrigiert. Damit wird letztendlich ein gewisser Betrag an Astigmatismus erzwungen um das mittlere Bildfeld zu ebnen, so daß die Bildqualität zum Rand des Bildfeldes hin nicht optimal ist. Ein ähnliches Objektiv mit einem aus drei Linsen aufgebauten zweiten Korrektor wird von Erwin Wiedemann in der OS 21 45 556 gegeben. Dieses Objektiv gibt eine hohe Abbildungs qualität auf einem ebenen Bildfeld. Für die Brennweite 1000 Millimeter wird bei der Öffnungs zahl 4 ein Objektfeld von 5 Grad Durchmesser übertragen.

Es war Ziel der Erfindung eine gleich hohe oder bessere Abbildungsqualität zu erreichen, wobei der zweite Linsenkorrektor nur aus zwei Linsen aufgebaut sein soll. Insbesondere war es hierbei Ziel der Erfindung für die Brennweite 1000 Millimeter und die Öffnungszahl 5,6 die beugungsbegrenzte Übertragung eines Objektfeldes von 4 Grad Durchmesser zu erreichen. Das heißt die Zerstreuungsscheibchen sollen damit im Wellenlängenbereich 400 bis 700 Nano meter auf dem gesamten Bildfeld nicht größer als 8 Mikrometer und damit kleiner als die zur Wellenlänge 550 Nanometer zugehörige Airy-Disk verbleiben. Für die Öffnungszahl 5,6 soll das Objektiv auch für visuelle Beobachtungen höchster Auflösung nutzbar sein. Das axiale Zerstreuungsscheibchen sollte damit im Bereich von 400 bis 700 Nanometer Wellenlänge kleiner als 4 Mikrometer bleiben. Ein weiteres Ziel der Erfindung war es bei der Brennweite von 1000 Millimetern für die Öffnungszahl 4 ein Objektfeld von 5 Grad zu übertragen, wobei für den Wellenlängenbereich 400 bis 700 Nanometer 95 Prozent der Lichtstrahlen in Zerstreu ungsscheibchen von 15 Mikrometer Durchmesser konzentriert sein sollen. Für den Wellenlängenbereich 486 bis 656 Nanometer sollen die Zerstreuungsscheibchen kleiner als 17 Mikrome ter Durchmesser bleiben, wobei über 95 Prozent der Lichtstrahlen innerhalb eines Durchmes sers von 10 Mikrometer konzentriert sein sollen. Der Durchmesser des axialen Zerstreuungs scheibchens soll unter 10 Mikrometer liegen.

Die Aufgabe wird gelöst gemäß dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs.

Hierbei trifft einfallendes Licht auf einen ersten Linsenkorrektor, der aus einem gegen das ein fallende Licht konvexen, sammelnden Meniskus 1 und einem nachfolgenden gegen das einfal lende Licht konkaven, zerstreuenden Meniskus 2 besteht, der auf seiner Hinterfläche im zen tralen Teil verspiegelt ist. Von dem Meniskus 2 ausgehend gelangt das Licht auf den Sammel spiegel 3, der eine zentrale Bohrung 7 aufweist. Der Sammelspiegel 3 reflektiert das Licht auf den Zerstreuungsspiegel 4, der durch die Verspiegelung auf der Hinterfläche des Meniskus 2 gebildet wird. Der Zerstreuungsspiegel 4 reflektiert das Licht mit verminderter Konvergenz auf einen zweiten Korrektor, der in der Reihenfolge der Lichtbewegung aus einer sammelnden Linse 5, die als gegen das einfallende Licht konvexer Meniskus oder konvexplan oder bikon vex ausgebildet ist und einer nachfolgenden zerstreuenden Linse 5, die als gegen das einfal lende Licht konkaver Meniskus ausgebildet ist, besteht. Hierbei können die Linsen 5 und 6 vorzugsweise in der zentralen Bohrung 7 im Sammelspiegel 3 angeordnet sein. Von der Linse 6 ausgehend gelangt das Licht in die Bildebene 8. Der erste Korrektor ist hierbei brechkraftlos. Genauer gesagt liefert der erste Korrektor keinen Beitrag zur Petzvalsumme und da seine Elemente - die Menisken 1 und 2 - eng zusammenstehen ist er somit brechkraftlos.

Der zweite Korrektor aus den Linsen 5 und 6 hingegen liefert einen zwar kleinen, aber nicht vernachlässigbaren Beitrag zur Petzvalsumme. Dieser Beitrag ist seiner Größe nach so bemessen, daß der die Differenz in den Petzvalbeiträgen des Sammelspiegels 3 und des Zerstreuungsspiegels 4 ausgleicht. Insgesamt resultiert ein Spiegelobjektiv, bei dem nicht nur der Astigmatismus, sondern auch die Petzvalsumme ausgezeichnet korrigiert ist, was zu der hohen außeraxialen Abbildungsqualität führt. Für das Verhältnis der Krümmungsradien R5 des Sammelspiegels 3 und R6 des Zerstreuungsspiegels 4 muß folgende Bedingung erfüllt sein:

|R6/R5| = 0,96 ± 0,04 [1]

Der zweite Korrektor aus den Linsen 5 und 6 weist eine geringe negative Brechkraft auf, und liefert somit einen Beitrag zur Petzvalsumme, der die Differenz in den Petzvalbeiträgen des Sammelspiegels 3 und des etwas stärker gekrümmten Zerstreuungsspiegels 4 ausgleicht. Für den Spezialfall, daß |R6/R5| = 1 gilt, weist der zweite Korrektor dennoch etwas Brech kraft auf, um in die Petzvalsumme des Objektivs einen Betrag einzuführen, der dem verblei benden Restastigmatismus dritter und höherer Ordnung entgegen gerichtet ist. Für das Verhältnis des Krümmungsradius R5 des Sammelspiegels 3 zur Brennweite f des Objektivs muß folgende Bedingung erfüllt sein:

|R5/f| = 1,10 ± 0,04 [2]

Weitere Fortbildungen des erfindungsgemäßen Gegenstandes sind in den Ansprüchen 2, 3 und 4 offenbart. Die Erfindung soll nachfolgend an drei Ausführungsbeispielen erläutert werden.

In den zu den Ausführungsbeispielen zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 die Anordnung der Elemente des erfindungsgemäßen Objektivs,

Fig. 2 Spotdiagramme gemäß Ausführungsbeispiel 1 für Objektfelddurchmesser von 0; 1; 2; 3; 4 und 5 Grad für die Wellenlängen 486,1; 550 und 656,3 Nanometer,

Fig. 3 Darstellung der tangentialen und sagittalen Aberrationen und der Verzeichnung gemäß Ausführungsbeispiel 1,

Fig. 4 Darstellung der longitudinalen Aberrationen des Ausführungsbeispiels 1 für die Wellen längen 486,1; 550 und 656,3 Nanometer,

Fig. 5 Spotdiagramme gemäß Ausführungsbeispiel 2 für Objektfelddurchmesser von 0; 1; 2; 3 und 4 Grad für die Wellenlängen 400; 450; 500; 550; 600; 650 und 700 Nanometer,

Fig. 6 Darstellung der tangentialen und sagittalen Aberrationen und der Verzeichnung gemäß Ausführungsbeispiel 2,

Fig. 7 Darstellung der longitudinalen Aberrationen des Ausführungsbeispiels 2 für die Wellen längen 400; 450; 500; 550; 600; 650 und 700 Nanometer,

Fig. 8 etwa maßstäbliche Darstellung des geometrischen Aufbaus des Ausführungsbeispiels 3.

Ausführungsbeispiel 1

Das Ausführungsbeispiel weist eine Brennweite von 1000 Millimeter und die Öffnungszahl 4 auf. Es wurde für ein Objektfeld von 5 Grad Durchmesser optimiert. Das Objektiv ist komplett aus BK7 aufgebaut. BK7 ist ein Glas des Schott-Kataloges mit der Glaskennzahl 517642. Wie Fig. 2 zeigt, bleiben die Zerstreuungsscheibchen auf dem Bildfeld von 87,53 Millimeter Durchmesser unter 17 Mikrometer Durchmesser. Dabei sind mehr als 95 Prozent der Licht strahlen in einem Scheibchen von 9 Mikrometer Durchmesser konzentriert. Das axiale Zer streuungsscheibchen weist einen Durchmesser von 9,3 Mikrometer auf.

Konstruktionsdaten des Ausführungsbeispiels 1

Die Seidelsummen der Flächenteilkoeffizienten nach der 3. Ordnung des 1. Ausführungsbei spiels betragen:

a) für Licht der Wellenlänge d (587,56 nm):
A = +0,0357 B = -0,0163 C = +0,0240 P = -0,0130 V = -2,4965
b) für Licht der Wellenlänge F (486,13 nm):
A = +0,0252 B = -0,0099 C = +0,0190 P = -0,0109 V = -2.5228

Hierbei steht A für sphärische Aberration; B für Koma; C für Astigmatismus; P für Petzval summe und V für Verzeichnung. Die Krümmung der sagittalen Schale ergibt sich aus P + C, die der tangentialen Schale aus P + 3C und die Krümmung des mittleren Bildfeldes ergibt sich aus P + 2C für a) zu: +0,0350 und für b) zu: +0,0271.

Ausführungsbeispiel 2

Das Ausführungsbeispiel weist eine Brennweite von 1000 Millimeter und die Öffnungszahl 5,6 auf. Es wurde für ein Objektfeld von 4 Grad Durchmesser optimiert. Das Objektiv ist komplett aus BK7 aufgebaut. BK7 ist ein Glas des Schott-Kataloges mit der Glaskennzahl 517642. Wie Fig. 5 zeigt, bleiben die Zerstreuungsscheibchen auf dem Bildfeld von 69,96 Millimeter Durchmesser für den Wellenlängenbereich von 400 bis 700 Nanometer unter 8 Mikrometer Durchmesser. Dabei sind mehr als 95 Prozent der Lichtstrahlen in einem Scheibchen von 4 Mikrometer Durchmesser konzentriert. Das axiale Zerstreuungsscheibchen weist einen Durch messer von 3,64 Mikrometern auf.

Konstruktionsdaten des Ausführungsbeispiels 2

Die Seidelsummen der Flächenteilkoeffizienten nach der 3. Ordnung des 2. Ausführungsbei spiels betragen:

a) für Licht der Wellenlänge d (587,56 nm):
A = +0,0214 B = -0,0062 C = +0,0208 P = -0,0023 V = -2,6996
b) für Licht der Wellenlänge F (486,13 nm):
A = +0,0108 B = +0,0003 C = +0,0158 P = -0,0026 V = -2,7254.

Hierbei steht A für sphärische Aberration; B für Koma; C für Astigmatismus; P für Petzval summe und V für Verzeichnung. Die Krümmung der sagittalen Schale ergibt sich aus P + C, die der tangentialen Schale aus P + 3C und die Krümmung des mittleren Bildfeldes ergibt sich aus P + 2C für a) zu: +0,0393 und für b) zu: +0,0290.

Ausführungsbeispiel 3

Das Ausführungsbeispiel weist wie Ausführungsbeispiel 1 eine Brennweite von 1000 Millime ter und die Öffnungszahl 4 auf. Es wurde für ein Objektfeld von 5 Grad Durchmesser opti miert. Das Objektiv ist komplett aus BK7 aufgebaut. BK7 ist ein Glas des Schott-Kataloges mit der Glaskennzahl 517642. Das Ziel war die letzte Schnittweite auf einen bequemen Wert zu vergrößern, wozu der Abstand zwischen Sammelspiegel 3 und Zerstreuungsspiegel 4 auf 300 Millimeter verkleinert wurde. Die Krümmungsradien R5 und R6 beider Spiegel wurden betragsmäßig gleich ausgebildet, so daß sich die Fertigung vereinfacht. Gleichzeitig ist nun die Hinterfläche der Linse 5 als Planfläche ausgebildet, so daß diese konvexplan in der Reihenfolge des Lichteinfall ist. Das Ausführungsbeispiel 3 weist etwa die gleiche Abbildungsqualität wie Ausführungsbeispiel 1 auf. Bedingt durch den verkleinerten Abstand zwischen den Spiegeln 3 und 4 steigt die Mittenobstruktion durch den Zerstreuungsspiegel 4 etwas an.

Konstruktionsdaten des Ausführungsbeispiels 3

a) für Licht der Wellenlänge d (587,56 nm):
A +0,0424 B = -0,0140 C = +0,0397 P = -0,0298 V= -1,9531
b) für Licht der Wellenlänge F (486,13 nm):
A +0,0311 B = -0,0072 C = +0,0344 P = -0,0301 V= -1,9723.

Hierbei steht A für sphärische Aberration; B für Koma; C für Astigmatismus; P für Petzval summe und V für Verzeichnung. Die Krümmung der sagittalen Schale ergibt sich aus P + C, die der tangentialen Schale aus P + 3C und die Krümmung des mittleren Bildfeldes ergibt sich aus P + 2C für a) zu: +0,0496 und für b) zu: +0,0387.

Alle Krümmungsradien in den Ausführungsbeispielen sind in Seidelnotation gegeben. Das heißt negative Krümmungsradien bezeichnen Flächen, die konkav gegen das einfallende Licht sind und positive Krümmungsradien bezeichnen Flächen, die konvex gegen das einfallende Licht sind. Für die Ermittlung der Durchmesser wurde angenommen, daß die Blende auf der ersten Fläche liegt. Die Abstände sind absolut gegeben und bezeichnen den Abstand zur nachfolgenden Fläche. Die Richtungsumkehr ist durch den Begriff Spiegel beschrieben. Insgesamt ergibt sich gegenüber den Objektiven der Offenlegungsschrift 21 45 556 ein erhebli cher technischer Fortschritt. So besteht der zweite Korrektor nunmehr nur aus zwei statt wie dort gegeben aus drei Linsen. Gleichzeitig gelingt es bei gleich guter Korrektion am Rand des Bildfeldes diese innerhalb desselben zu verfeinern und hierbei die axiale Korrektion merklich zu verbessern. Die Zerstreuungsscheibchen reduzieren sich auf 2/3 des bisherigen Durchmes sers. Wie im Ausführungsbeispiel 3 gezeigt können nun zwei Krümmungsradien (R5 und R6) der großen Elemente des Objektivs gleichen Betrag aufweisen, so daß sich die Fertigung vereinfacht. Gleichzeitig kann einer der Krümmungsradien (R8) als Planfläche ausgeführt werden. Das erfindungsgemäße Objektiv weist eine deutliche Verbesserung in der Korrektur der Petzvalsumme auf. Die chromatischen Variationen der Bildfeldkrümmung sind reduziert. Gegenüber dem einzigen hochkorrigiertem Ausführungsbeispiel (2) der Offenlegungsschrift 21 45 556 wird die Verzeichnung auf weniger als 1/5 reduziert, wobei gleichzeitig die Schnitt weite vom letzten Linsenscheitel nahezu verdoppelt wird.

Selbstverständlich kann im erfindungsgemäßen Objektiv der Zerstreuungsspiegel 4 auch sepa rat ausgeführt und als solcher dann auf die Hinterfläche des Meniskus 2 aufgekittet werden. Es läßt sich dadurch aber keine wesentliche Steigerung der Abbildungsqualität erreichen. Das erfindungsgemäße Objektiv kann auch aus verschiedenem optischen Material aufgebaut sein. So könnten zum Beispiel die Linsen 5 und 6 aus einem anderen, wenig dispersiven opti schen Material bestehen. Es bietet sich hier zum Beispiel das Glas FK03 des Ohara-Kataloges an. Die großen Menisken 1 und 2 können weiterhin aus billigem BK7 bestehen, während das teurere FK03 nur für die kleineren Linsen 5 und 6 verwandt wird. Die Abbildungsqualität läßt sich so noch etwas verfeinern - der Steigerung sind aber relativ enge Grenzen gesetzt. Insbesondere in seiner Ausprägung mit der Öffnungszahl 5,6 kann das erfindungsgemäße Objektiv zusätzlich als Fernrohrobjektiv dienen. Bei 1000 Millimeter Brennweite ergibt sich mit kommerziell erhältlichen Okularen von 4 Millimeter Brennweite 250fache Vergrößerung. Dabei liegt die Öffnungszahl 5,6 in dem Bereich in welchem hochwertige Okulare bereits gute axiale Korrektion aufweisen. Die Farbkorrektion des Objektivs der Öffnungszahl 5,6 und der Brennweite 1000 Millimeter übertrifft die von apochromatischen Refraktortripletts und Schmidt-Cassegrain Systemen der Öffnungszahl 10.

Die peak to valley Aberrationen der Wellenfront bleiben im Bereich des visuellen Spektrums unter 1/8 Wellenlänge. Diese hohe Korrektion erweist sich als notwendig, da es sich zeigt, daß für optische Systeme mit merkbarer Mittenobstruktion die Einhaltung des Rayleigh-Krite riums von 1/4 Wellenlänge peak to valley Aberration nicht hinreichend ist um eine Kontrast übertragung ohne merkbare Degradation zu erreichen. Eine Tatsache, die bei Schmidt-Casse grain Systemen verantwortlich ist für die dort oft bemängelte axiale Abbildungsleistung insbe sondere bei hochauflösenden Beobachtungen von Planeten und anderen kleinen flächenhaften Objekten.

Mit einem 100 Grad Okular, wie es der Autor in der Anmeldung P 195 49 247.1 angibt, läßt sich bei einer Brennweite des Okulars von 40 Millimetern eine 25fache Vergrößerung errei chen, wobei fast das gesamte beugungsbegrenzt durch das Objektiv übertragbare Objektfeld von 4 Grad Durchmesser der Beobachtung zugänglich wird. Der Durchmesser der Austritts pupille beträgt dann für die Öffnungszahl 5,6 das Objektivs 7,14 Millimeter und ist damit gut angepaßt an den maximal möglichen Durchmesser der menschlichen Augenpupille. Damit erhält man ein "Rich field" Teleskop kompakter Bauweise äußerst hoher Abbildungsqualität. Nicht zuletzt bietet das erfindungsgemäße Objektiv bedingt durch seine hohe Auflösung neue Ansatzpunkte für die kommenden Entwicklungen großflächiger CCD-Technik mit typischen Größen der Detektorpixel von 10 Mikrometern bis herunter zu 5 Mikrometern. Dann ist es möglich die Information, die das Objektiv in dem beugungsbegrenzt übertragenen Objektfeld von 4 Grad Durchmesser liefert, auszuschöpfen, womit die physikalisch mögliche Grenze erreicht ist.

Für die Fokussierung auf unterschiedliche Objektweiten ist es günstig das Objektiv mit einer Innenfokussierung zu versehen, bei der entweder der Abstand des Zerstreuungsspiegels 4 und damit der Menisken 1 und 2 vom Sammelspiegel 3 geändert wird, oder bei der die Linsen 5 und 6 verschiebbar gegenüber dem restlichen Objektiv angeordnet sind. Hiermit läßt sich die erreichte hohe Korrektion der Abbildung auch für näher gelegene Objekte aufrecht erhalten.

Claims

1. Spiegelobjektiv, bei dem einfallendes Licht auf einen brechkraftlosen Korrektor trifft, der aus einem sammelnden gegen das einfallende Licht konvexen Meniskus (1) und einem zerstreuenden gegen das einfallende Licht konkaven Meniskus (2) besteht, wonach das Licht von einem nachfolgenden Sammelspiegel (3) mit zentraler Bohrung (7) auf einen auf der Hinterfläche des zweiten Meniskus (2) ausgebildeten Zerstreuungsspiegel (4) trifft, der das Licht auf einen aus zwei Linsen aufgebauten Korrektor reflektiert, wobei das Licht durch die zentrale Bohrung (7) im Sammelspiegel (3) fällt und von dort die Bildebene (8) erreicht, dadurch gekennzeichnet,
daß für die Krümmungsradien R5 des Sammelspiegels (3) und R6 des Zerstreuungsspiegels (4) folgende Bedingung gilt: |R6/R5| = 0,96 ± 0,04 daß der Krümmungsradius R5 des Sammelspiegels sich zur Brennweite f des Spiegelobjektivs verhält wie:|R6/f| = (1,1 ± 0,04),daß der zweite Korrektor in der Reihenfolge des Lichteinfalls aus einer sammelnden Linse (5), die als gegen das einfallende Licht konvexer Meniskus oder konvexplan oder bikonvex ausge bildet ist und einem zerstreuenden, gegen das einfallende Licht konkaven Meniskus (6) besteht,
daß der zweite Korrektor schwach negative Brechkraft besitzt, die einen Petzvalbeitrag liefert, der die Differenz der Petzvalbeiträge des Sammelspiegels (3) und des stärker gekrümmten Zerstreuungsspiegels (4) ausgleicht und darüber hinaus die Petzvalsumme so gestaltet, daß sie dem verbleibendem Astigmatismus dritter und höherer Ordnung entgegen gerichtet ist.

2. Spiegelobjektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Menisken (1) und (2) aus gleichem optischen Material bestehen.

3. Spiegelobjektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsen (5) und (6) aus gleichem optischen Material bestehen.

4. Spiegelobjektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Menisken (1), (2) und die Linsen (5) und (6) aus gleichem optischen Material bestehen.