DE60029442T2

DE60029442T2 - Optisches System mit veränderlicher Vergrösserung

Info

Publication number: DE60029442T2
Application number: DE60029442T
Authority: DE
Inventors: Ralph Lance Carter
Original assignee: PerkinElmer International CV
Current assignee: PerkinElmer International CV
Priority date: 2000-08-29
Filing date: 2000-08-29
Publication date: 2007-04-19
Anticipated expiration: 2020-08-30
Also published as: DE60029442D1; EP1184700B1; US20020034025A1; US20040080843A1; US6676265B2; ATE333659T1; EP1184700A1

Description

Die Erfindung betrifft optische Systeme, die geeignet sind, eine Vergrößerung, die verändert werden kann, bereitzustellen.
Optische Systeme, die eine veränderliche Vergrößerung bereitstellen können, werden häufig benötigt und sind seit langer Zeit bekannt. Im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums wurden optische Systeme mit veränderlicher Vergrößerung viele Jahre lang unter Verwendung einer Reihe von Linsen ausgeführt, deren Abstände variiert werden können, um die von dem Linsensystem bereitgestellte Vergrößerung zu ändern. Ein Problem mit Linsensystemen besteht darin, dass aufgrund ihrer strahlenbrechenden Natur chromatische Aberrationen auftreten können und dieser Typ von Linsensystem häufig eine Anzahl von Extraelementen benötigt, um dieses Problem zu bewältigen. Bei Wellenlängen außerhalb des sichtbaren Bereichs, zum Beispiel im Infrarotbereich, ist die Anzahl von Materialien, welche die notwendigen Durchlassqualitäten zur Bildung solcher Linsen aufweist, stark eingeschränkt, und diese eingeschränkte Materialauswahl kann den Effekt haben, die Performance des optischen Systems, die über einen Bereich von Wellenlängen erreichbar ist, zu reduzieren. Auch die Kosten des Systems sind vergrößert.
Mit diesem Problem wurde in der Vergangenheit so umgegangen, dass optische Systeme mit veränderlicher Vergrößerung vollständig aus Spiegeln aufgebaut wurden. Ein Vorteil eines Spiegelsystems besteht darin, dass es keine chromatische Aberration gibt. Allerdings ist ein Nachteil vieler Spiegelsysteme, dass jeder Spiegel im allgemeinen von der Achse weg arbeitet und als eine Konsequenz Aberrationen auftreten und schnell zunehmen, wenn sich das Licht durch das Spiegelsystem verbreitet. Ein anderer Nachteil vieler Spiegel systeme ist die Komplexität des mechanischen Systems, das erforderlich ist, um die einzelnen Spiegel zu bewegen, um eine Veränderung der Vergrößerung zu erreichen. Dies ergibt sich, da die Spiegel nicht wie im Fall von Linsen auf einer gemeinsamen Achse positioniert und bewegt werden und die Position der Spiegel eher in zwei als in einer Dimension gesteuert werden muss.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches System, das entwickelt wurde, um sich sowohl mit der Aberration als auch den mechanischen Gelenkproblemen, die mit dem Stand der Technik verbunden sind, zu befassen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein optisches System mit veränderlicher Vergrößerung bereitgestellt, das aufweist: ein erstes Paar von elliptischen Spiegeln, umfassend: einen ersten Eingangsspiegel mit einem vorderen objektseitigen Brennpunkt und einem hinteren bildseitigen Brennpunkt; einen ersten Ausgangsspiegel mit einem vorderen objektseitigen Brennpunkt und einem hinteren bildseitigen Brennpunkt; wobei das erste Paar von elliptischen Spiegeln positioniert wird, so dass der hintere bildseitige Brennpunkt des ersten Eingangsspiegels im Wesentlichen dem vorderen objektseitigen Brennpunkt des ersten Ausgangsspiegels entspricht; ein zweites Paar von elliptischen Spiegeln, umfassend: einen zweiten Eingangsspiegel mit einem vorderen objektseitigen Brennpunkt und einem hinteren bildseitigen Brennpunkt; einen zweiten Ausgangsspiegel mit einem vorderen objektseitigen Brennpunkt und einem hinteren bildseitigen Brennpunkt; wobei das zweite Paar von elliptischen Spiegeln positioniert wird, so dass der hintere bildseitige Brennpunkt des zweiten Eingangsspiegels im Wesentlichen dem vorderen objektseitigen Brennpunkt des zweiten Ausgangsspiegels entspricht; wobei das System dadurch gekennzeichnet ist, dass das erste und das zweite Paar von elliptischen Spiegeln angeordnet ist, so dass der hintere bildseitige Brennpunkt des ersten Ausgangsspiegels im Wesentlichen der gleiche ist wie der vordere objektseitige Brennpunkt des zweiten Eingangsspiegels; und eine Einrichtung zum Einstellen der relativen Position zwischen dem ersten Paar und dem zweiten Paar von elliptischen Spiegeln vorgesehen ist, so dass der hintere bildseitige Brennpunkt des ersten Ausgangsspiegels gezwungen wird, sich entlang einer vorgegebenen Strecke zu bewegen, um eine Veränderung der Vergrößerung zu erzielen.
Die Erfindung wird nun lediglich beispielhaft mit besonderem Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen:
1 und 1a veranschaulichen die Arbeitsweise von Ellipsoidspiegeln;
2 veranschaulicht schematisch ein Spiegelpaar;
2a veranschaulicht die Anordnung von 2a in einer anderen Konfiguration;
3 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel des Systems gemäß der vorliegenden Erfindung, und
3a zeigt das System von 3 in einer anderen Konfiguration.
Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung liefern optische Systeme, welche eine kontinuierlich veränderliche Vergrößerung aufweisen und basieren auf dem Gebrauch von elliptischen Spiegeln. Ein elliptischer Spiegel hat die Eigenschaft, dass jeder Strahl, der durch einen seiner Brennpunkte tritt, reflektiert wird, um durch seinen anderen Brennpunkt auszutreten. Dies ist in 1 und 1a der Zeichnungen veranschaulicht. Ein an dem Brennpunkt 10 des elliptischen Spiegels 11 platziertes Objekt erzeugt ein Bild an dem Brennpunkt 12. Der durch den Spiegel geschaffene Vergrößerungsgrad variiert in Abhängigkeit von dem Winkel, mit dem die Strahlen auf die Oberfläche des Spiegels auftreffen. 1 zeigt eine Anordnung, die hohe Vergrößerung erreichen kann, während die Anordnung von 1 eine niedrigere Vergrößerung erreicht. Wenn, wie in den in den 1 und 1a gezeigten Anordnungen, ein einzelner Spiegel verwendet wird, nehmen Aberrationen, die in dem Bild erscheinen, schnell zu, wenn der Punkt, bei welchem die Strahlen auf den Spiegel auftreffen, sich aus dem Zentrum des Feldes wegbewegt. Die Zuwachsrate hängt von der Blendenzahl des Spiegels ab.
Eine brauchbare Anordnung, in welcher das Problem der Aberration verringert werden kann, ist in 2 der Zeichnungen veranschaulicht und aus zwei elliptischen Spiegeln (20 und 21) gebildet. Diese Spiegel sind miteinander gekoppelt und so angebracht, dass der Ausgangsbrennpunkt des ersten Spiegels 20 mit dem Eingangsbrennpunkt des zweiten Spiegels 21 zusammenfällt, wobei der Punkt des Zusammenfallens bei 22 gezeigt ist. Außerdem ist der zweite Spiegel 21 so angeordnet, dass er im gegenteiligen Sinn zu dem ersten Spiegel 20 reflektiert. Bei einer solchen Anordnung kann die Vergrößerung variiert werden durch Einstellung der relativen Orientierung der Spiegel auf eine solche Weise, dass sich der Eintrittswinkel der Lichtstrahlen ändert. Eine positive Zunahme des Strahleintrittswinkels auf den ersten elliptischen Spiegel resultiert in einer geringeren Vergrößerung, und dies verdreht die Wellenfront an dem Zwischenbrennpunkt 22. Diesem Effekt wird allerdings an dem zweiten elliptischen Spiegel entgegengewirkt, da die Änderung des Eintrittswinkels dazu tendiert, die Vergrößerung zu vergrößern. Somit wird die Wellenfront mittels des zweiten Spiegels zu einem gewissen Ausmaß wiederhergestellt. Die Wellenfrontwiederherstellung ist beinahe perfekt, wenn ein elliptischer Spiegel eine Vergrößerung aufweist, die gleich dem reziproken Wert des anderen ist. Folglich ist die Aberration minimal, wenn das System eine Vergrößerung mit dem Vergrößerungsfaktor eins liefert. Die Aberration nimmt jedoch relativ langsam zu, wenn die Systemvergrößerung vergrößert wird.
2 zeigt die zwei elliptischen Spiegel in einer Konfiguration, die geringe Vergrößerung liefert. 2a zeigt die zwei Spiegel in einer abweichenden Konfiguration, welche eine relativ hohe Vergrößerung liefert.
Man erkennt daher, dass ein optisches System, das eine kontinuierlich veränderbare Vergrößerung aufweist, aufgebaut werden kann durch Anordnung von zwei elliptischen Spiegeln, so dass ihre Basisplatten derart zusammen befestigt sind, dass der zweite Brennpunkt des ersten Ellipsoids mit dem ersten Brennpunkt des zweiten Ellipsoids zusammenfällt. Die Vergrößerung, die von solch einer Spiegelanordnung bereitgestellt wird, kann durch Änderung der relativen Orientierung der Spiegel, so dass der Strahleintrittswinkel des Lichts in das System verändert wird, variiert werden. Für eine gegebene Systemvergrößerung wird es ein optimales Paar von Winkeln zwischen den Achsen der Spiegel geben, das eine minimale Bildaberration erreicht. Die Beibehaltung einer präzisen Winkelsteuerung ist jedoch keine notwendige Anforderung.
Während ein System, wie oben mit Bezug auf 2 beschrieben, zufriedenstellende Ergebnisse erreichen kann, besitzt es insofern einen Nachteil, dass die relative Position und der Winkel von Strahlen in das System sich ändert im Hinblick auf den Ausgang des Systems. Dies muss kein Problem sein, wenn die Bildsensorvorrichtung zur Aufnahme der Strahlung des zweiten elliptischen Spiegels leicht relativ zu dem Objekt bewegt werden kann, aber es gibt einige Systeme, in denen es notwendig ist, eine feste räumliche Beziehung zwischen dem Objekt und dem Bild beizubehalten. In einem solchen System wäre die in 2 gezeigte Anordnung nicht zufriedenstellend.
Der genannte Nachteil kann durch Bereitstellung einer Spiegelanordnung des in 3 der Zeichnungen gezeigten Typs überwunden werden. 3 der Zeichnungen veranschaulicht ein optisches System mit kontinuierlich veränderbarer Vergrößerung, das ein erstes Paar elliptischer Spiegel 30 und 31 und ein zweites Paar elliptischer Spiegel 32, 33 aufweist. Der Spiegel 31 ist auf einem Drehteil 34 montiert, welches an dem Chassis des optischen Systems angebracht ist, und der Spiegel 32 besitzt einen Drehpunkt 35, der ebenfalls an dem Systemchassis angebracht ist. Die Spiegel 31 und 33 besitzen einen gemeinsamen Zwischendrehpunkt 36, der sich mit Bezug auf das Chassis bewegen kann.
In der in 3 gezeigten Anordnung sind die beiden Spiegelpaare auf eine solche Weise verbunden, dass der Ausgangsbrennpunkt des ersten Paares an dem Eingangsbrennpunkt des zweiten Paares bei Punkt 36 festgemacht ist. Dies liefert ausreichend Freiheitsgrade, um die Winkel zwischen den Achsen der vier Spiegel zu ändern, während der Ausgang des vollständigen Systems an einem festen Punkt relativ zu dem Systemeingang gehalten wird. Außerdem ist es möglich, die Geometrie so zu gestalten, dass Lichtstrahlen von einem Objekt bei dem gleichen relativen Winkel ein- und austreten.
Der Drehpunkt 34 bildet den Eingang des Systems, und der Drehpunkt 35 stellt den Ausgang des Systems dar. Der Drehpunkt 36 ist angeordnet, so dass er sich entlang einer vorbestimmten optischen Strecke bewegen kann, um verschiedene Systemvergrößerungen zu erreichen. Für eine gegebene Systemvergrößerung gibt es eine Position für den Punkt 36, welche die beste Aberrations-Performance abgibt. Bei einer geeigneten Anordnung wird diese Strecke ein Ausgleich zwischen dem Optimum und dem, was mit dem speziell verwendeten mechanischen System erreicht werden kann, sein.

Claims

Optisches System mit veränderlicher Vergrößerung, das aufweist: ein erstes Paar von elliptischen Spiegeln (30, 31), umfassend: einen ersten Eingangsspiegel (30) mit einem vorderen objektseitigen Brennpunkt (34) und einem hinteren bildseitigen Brennpunkt, einen ersten Ausgangsspiegel (31) mit einem vorderen objektseitigen Brennpunkt und einem hinteren bildseitigen Brennpunkt (36); bei dem das erste Paar von elliptischen Spiegeln (30, 31) positioniert wird, so dass der hintere bildseitige Brennpunkt des ersten Eingangsspiegels (30) im Wesentlichen dem vorderen objektseitigen Brennpunkt des ersten Ausgangsspiegels (31) entspricht; ein zweites Paar von elliptischen Spiegeln (32, 33), umfassend: einen zweiten Eingangsspiegel (33) mit einem vorderen objektseitigen Brennpunkt (36) und einem hinteren bildseitigen Brennpunkt; einen zweiten Ausgangsspiegel (32) mit einem vorderen objektseitigen Brennpunkt und einem hinteren bildseitigen Brennpunkt (35); bei dem das zweite Paar von elliptischen Spiegeln (32, 33) positioniert wird, so dass der hintere bildseitige Brennpunkt des zweiten Eingangsspiegels (33) im Wesentlichen dem vorderen objektseitigen Brennpunkt des zweiten Ausgangsspiegels (32) entspricht; wobei das System dadurch gekennzeichnet ist, dass das erste und das zweite Paar von elliptischen Spiegeln (31, 32, 33, 34) angeordnet ist, so dass der hintere bildseitige Brennpunkt (36) des ersten Ausgangsspiegels (31) im Wesentlichen der gleiche ist wie der vordere objektseitige Brennpunkt (36) des zweiten Eingangsspiegels (33); und eine Einrichtung zum Einstellen der relativen Position zwischen dem ersten Paar und dem zweiten Paar von elliptischen Spiegeln (31, 32, 33, 34) vorgesehen ist, so dass der hintere bildseitige Brennpunkt (36) des ersten Ausgangsspiegels (31) gezwungen wird, sich entlang einer vorgegebenen Strecke zu bewegen, um eine Veränderung der Vergrößerung zu erzielen.
Optisches System nach Anspruch 1, bei dem die Spiegel zur drehbaren Bewegung angebracht sind, so dass ein Gegenwinkel zwischen ihren Achsen des ersten Paars und des zweiten Paars von elliptischen Spiegeln (30, 31, 32, 33) verändert werden kann.
Optisches System nach Anspruch 1, bei dem die Vergrößerung des ersten elliptischen Spiegels in jedem Paar von Spiegeln im Wesentlichen der reziproke Wert der Vergrößerung des zweiten elliptischen Spiegels in jedem der Spiegel ist.
Optisches System nach Anspruch 1, bei dem Lichtstrahlen, die von einem Gegenstand ausgehen, mit dem gleichen relativen Winkel in das optische System eintreten und austreten.