DE69109664T2

DE69109664T2 - Optische elemente mit gradientenindex und katadioptrische optische systeme.

Info

Publication number: DE69109664T2
Application number: DE69109664T
Authority: DE
Inventors: David Hamblen
Original assignee: Eastman Kodak Co
Current assignee: Eastman Kodak Co
Priority date: 1990-12-11
Filing date: 1991-12-06
Publication date: 1995-09-07
Anticipated expiration: 2011-12-07
Also published as: DE69109664D1; JP2636501B2; JPH05502523A; ATE122473T1; EP0514538B1; EP0514538A1; WO1992010774A1; US5159495A

Description

Bereich der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf optische Elemente mit Brechungsindex-Gradienten und katadioptrische optische Systeme unter Verwendung der optischen Elemente zum Beispiel zur Verwendung in Kameras oder astronomischen optischen Systemen.

Hintergrund der Erfindung

Reflektierende optische Systeme mit einem konkaven Spiegel (katoptrisch), einer Kombination von Linsen (dioptrisch) oder einer Kombination von wenigstens einer Linse und einem Spiegel (katadioptrisch) werden besonders für Objektive mit langer Brennweite immer häufiger verwendet. Der Hauptgrund für die Verwendung eines kombinierten Systems von Linsen und Spiegeln statt von Linsen allein ist, das Gewicht und die Kosten des zur Herstellung großer Linsen mit niedrigen f-Zahlen verwendeten Glases mit optischer Qualität zu verringern. Durch Integration von Spiegeln und Linsen ist es möglich, ein optisches System in einen sehr kompakten Raum zu falten.
US-A-4,061,420 beschreibt ein katadioptrisches optisches System mit langer Brennweite. Das optische System umfaßt einen Mangin-Spiegel als primären Spiegel, einen asphärische Korrektorplatte, bei der deren hintere Oberfläche als sekundärer Spiegel arbeitet, und ein Paar zwischen dem primären und dem sekundären Spiegel angeordnete Korrkturlinsen mit Luft dazwischen. Im Betrieb läuft Licht durch die asphärische Korrekturplatte und wird vom primären Spiegel und dann vom sekundären Spiegel reflektiert. Nach der Reflexion durch den sekundären Spiegel läuft das Licht durch das Paar von Korrekturlinsen und dann durch eine durch den primären Spiegel definierte Öffnung zur Abbildung auf einer Bildebene.
US-A-4 789 219 beschreibt ein optisches Element gemäß der Einleitung von Anspruch 1, nämlich eine Linse mit Brechungsindex-Gradient mit einer reflektierenden Beschichtung an einem Ende. Die Linse hat eine Länge von einem ungeraden Vielfachen von einem Viertel ihrer Periode. Linsen mit Brechungsindex-Gradient und hexagonaler Form sind dicht zu eine Feld gepackt, um eine zurückreflektierende Oberfläche zu bilden.
Das U.S. Patent Nr. 4,342,503 (D.R. Shafer), veröffentlicht am 3. August 1982, beschreibt verschiedene Aufbauten für katadioptrische Teleskope mit zwei Elementen. Ein erstes Element umfaßt eine verhältnismäßig dünne lichtdurchlässige Schale, die in Richtung der Vorderseite des Teleskops konkav ist. Eine vordere Oberfläche des ersten Elements besitzt eine sphärische Form und eine gegenüberliegende hintere Oberfläche besitzt eine asphärische Form, oder umgekehrt. Ein zentraler Teil des ersten Elements entweder auf der hinteren Oberfläche oder auf der vorderen Oberfläche wird verspiegelt, um einen sekundären Spiegel des Teleskops zu bilden. Ein zweites Element umfaßt einen primären Spiegel, der in Richtung der Vorderseite des Teleskops konkav ist. Das zweite Element enthält in bestimmten Ausführungsformen zusätzlich eine lichtdurchlässige Schale, die auf einer vorderen Oberfläche sphärisch und auf einer hinteren Oberfläche asphärisch ist, oder umgekehrt. Eine dieser Oberflächen wird verspiegelt, um den primären Spiegel des Teleskops zu bilden. Im Betrieb läuft das Licht durch das erste Element und wird vom primären Spiegel des zweiten Elements und dann vom sekundären Spiegel des ersten Elements reflektiert. Nach der Reflexion durch den zweiten Spiegel läuft das Licht durch eine im zweiten Spiegel definierte Öffnung und wird auf einer Bildebene abgebildet.
Beim Entwurf katoptrischer, dioptrischer oder katadioptrischer Systeme müssen die folgenden Vorteile und Nachteile von Spiegeln gegenüber Linsen beachtet werden. Hinsichtlich der Vorteile von Spiegeln gegenüber Linsen können Spiegel mit größeren Durchmessern hergestellt werden als Linsen, da Linsen wegen optischer Beschränkungen hauptsächlich auf einen Durchmesser von etwa 20 inch (50 cm) beschränkt sind. Spiegel besitzen anders als Linsen keine chromatische Aberration und können folglich vom ultravioletten (UV) bis zum infraroten (IR) Wellenlängenbereich fokussiert werden. Zusätzlich erfordert ein Spiegel nur ein Viertel der Krümmung einer Linse mit derselben Stärke und ermöglicht deshalb ein hohes Öffnungsverhältnis ohne übermäßige Restfehler mit sich zu bringen.
Hinsichtlich der Nachteile von Spiegeln gegenüber Linsen bewirkt ein zentraler Spiegel mit kleinem Durchmesser als Hindernis im Weg des eintretenden Strahls von Strahlungsenergie einen gewissen Verlust bei der Sammlung von Strahlungsenergie. Eine reflektierende Oberfläche eines Spiegels muß zusätzlich extrem gut mit einer gewünschten Form übereinstimmen, da die gesamte Fokussierkraft des Spiegels auf eine Ebene beschränkt ist. Weiterhin ist eine erforderliche asphärische Oberflächenform eines Spiegels mit guter optischer Qualität schwierig zu erzeugen. Außerdem ist ein Winkelfeldakzeptanzwinkel eines Spiegelsystems beschränkt. Folglich muß die Größe des Spiegelsystems durch Hinzufügen eines oder mehrerer Linsenelemente erhöht werden.
Es ist wünschenswert, ein optisches System herzustellen, das die Auswirkungen der oben erwähnten Beschränkungen von Spiegeln und Linsen verringert und ermöglicht, ein derartiges optisches System ohne die Verwendung einer asphärischen Oberfläche herzustellen.
Die Lösungen dieses technischen Problems gemäß der vorliegenden Erfindung sind in den unabhängigen Patentansprüchen 1 und 10 beschrieben. Die abhängigen Patentansprüche beschreiben bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung.
Die Erfindung wird aus der folgenden ausführlicheren Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen und Patentansprüchen besser verständlich.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

FIG. 1 ist eine Querschnittsansicht durch die Mitte eines ersten optischen Systems gemäß der vorliegenden Erfindung;
FIG. 2 ist eine beispielhafte Grafik des Brechungsindex über dem Radius für das erste optische System von FIG. 1;
FIG. 3 ist eine seitliche Querschnittsansicht durch die Mitte eines zweiten optischen Systems gemäß der vorliegenden Erfindung;
FIG. 4 ist eine seitliche Querschnittsansicht durch die Mitte eines dritten optischen Systems gemäß der vorliegenden Erfindung;
FIG. 5 ist ein Plot, der das Strahl-Intercept für das optische System von FIG. 4 zeigt;
FIG. 6 ist ein Plot, der den optischen Wegunterschied (OPD) für das optische System von FIG. 4 zeigt;
FIG. 7 ist ein Plot des Astigmatismus für das optische System von FIG. 4;
FIG. 8 ist ein Plot der Modulations-Übertragungsfunktion (MTF) für das optische System von FIG. 4; und
FIG. 9 ist ein Plot der Verzerrung für das optische System von FIG. 4.
Es ist nicht nötig, die Zeichnungen zu skalieren und entsprechende Elemente in den verschiedenen Figuren haben dieselben Bezugszeichen.

Ausführliche Beschreibung

In FIG. 1 ist eine Querschnittsansicht durch die Mitte eines optischen Elements 10 gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Das optische Element 10 umfaßt einen Körper 12 mit jeweils gegenüberliegenden vorderen und hinteren Oberflächen 14a und 14b und eine Schicht 18 aus einem reflektierenden Material (z.B. Silber) auf der hinteren Oberfläche 14b des Körpers 12. Die hintere Oberfläche 14b ist sphärisch, während die vordere Oberfläche 14a sphärische oder asphärische Form haben kann. Der Körper 12 wird aus einem für Strahlungsenergie (z.B. Licht) durchlässigen Material (z.B. Glas, Kunststoff) geformt, das einen radialen Brechungsindex-Gradienten besitzt. Zusätzlich wird auf der vorderen Oberfläche 14a des Körpers 12 eine optionale Antireflexions-Beschichtung 24 aus irgendeinem bekannten geeigneten Material geformt, um den Fresnel-Verlust an auf die vordere Oberfläche 14a einfallender Strahlungsenergie zu minimieren. Die Beschichtung 24, der Körper 12 und die Schicht 18 definieren eine optionale Öffnung 16 durch ihre Mitten. Wenn die optionale Öffnung 16 vorhanden ist, kann an der vorderen Oberfläche 14a um die Öffnung 16 herum eine Streulichtblende (nicht gezeigt), die der im U.S. Patent Nr. 4,342,503 (D.R. Shafer), veröffentlicht am 3. August 1982 gezeigten ähnelt, geformt oder befestigt werden, um Störungen wegen derartiger Fresnel-Verluste zu minimieren. Es ist wichtig zu verstehen, daß die vordere Oberfläche 14a und die hintere sphärische Oberfläche 14b zwei verschiedene Bauformen haben können (d.h. Krümmungsradien oder sphärische/asphärische Formen), um die zur Verringerung von Astigmatismus oder Koma geeigneten Abbildungseigenschaften zu liefern. Von einem entfernten Bereich kommende Strahlen 20 von Strahlungsenergie (z.B. Licht) fallen auf die vordere Oberfläche 14a des optischen Elements 10 ein und werden in Richtung der hinteren sphärischen Oberfläche 14b gebrochen.
Der Körper 12 des optischen Elements 10 wird mit jeglichem geeigneten Prozeß, wie zum Beispiel einem im U.S. Patent Nr. 4,022,855 (D.P. Hamblen), veröffentlicht am 10. Mai 1977, beschriebenen Schleuder-(Zentrifugal-)Formverfahren geformt. Eine wiederverwendbare Form wird durch Definieren eines Hohlraums mit der äußeren Form des Körpers des herzustellenden optischen Elements zum Beispiel aus Silikongummi hergestellt. Dann wird die Form in einem rotierbaren Formträger untergebracht und um ihre Mittelachse rotiert, die einer optischen Achse 19 des optischen Elements 10 entspricht. Während die Form und der Träger gedreht werden, werden zwei kopolymerisationsfähige Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes in vorherbestimmter Reihenfolge in die Form eingespritzt, um sie darin zu vermischen. Die Rotationsgeschwindigkeit von Form und Träger wird verringert und die sich vermischenden Materialien bilden eine Polymerisationsmischung, die einen Brechungsindex besitzt, der von der Rotationsachse aus nach außen radial variiert. Genauer gesagt, wenn die Materialien vorherbestimmte Fotopolymere sind, erzeugen ultraviolette Strahlung und, falls nötig, späteres Trocknen ein festes optisches Element, das keine weitere optische Nachbearbeitung mehr erfordert. Ist der Körper 12 des optischen Elements 10 hergestellt, wird die gewünschte Oberfläche (z.B. die Oberfläche 14b) gemäß der vorliegenden Erfindung mit der Schicht 18 aus reflektierendem Material beschichtet.
In FIG. 2 ist für das optische Element 10 von FIG. 1 auf der vertikalen Achse eine beispielhafte Kurve 26 des Brechungsindex-Gradienten N entlang dem Radius R&sub2; über ansteigenden Radien R&sub1;/R&sub2; auf der horizontalen Achse gezeigt. Wie in FIG. 1 gezeigt, steht R&sub1; für einen momentanen radialen Abstand von der in Längsrichtung verlaufenden optischen Achse 19 des optischen Elements 10 durch die Mitte der Öffnung 16 (falls vorhanden), die zu jedem Zeitpunkt gemessen wird und R&sub2; steht für einen festen radialen Abstand von der in Längsrichtung verlaufenden optischen Achse 19 zu einer äußeren Kante 21 des Körpers 12 des optischen Elements 10. Die Kurve 26 gibt einen Brechungsindex an, der sich über den Radius des Körpers 12 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung parabolisch ändert. Der parabolische Verlauf der Kurve 26 wird im folgenden bei der Diskussion des optischen Elements 10 verwendet. Es ist jedoch wichtig zu verstehen, daß die Kurve des Brechungsindex-Gradienten jeden geeigneten Verlauf haben kann. Der Körper 12 mit dem in FIG. 2 gezeigten Verlauf des Brechungsindex-Gradienten besitzt in seiner bevorzugten Ausführungsform in der Nähe seiner äußeren Kante 21 einen verhältnismäßig kleineren Brechungsindex, der gemäß der Kurve 26 zur zentralen Öffnung 16 hin radial ansteigt und dann zu dem von Luft absinkt, falls die Öffnung 16 vorhanden ist. Es ist wichtig zu verstehen, daß auch ein invers parabolischer Verlauf des Brechungsindex-Gradienten verwendet werden kann, bei dem der minimale Brechungsindex in der Nähe der Öffnung 16 vorliegt und mit einem parabolischen Verlauf radial nach außen zur äußeren Kante 21 hin ansteigt.
Ein gemäß der vorliegenden Erfindung geformtes beispielhaftes optisches Element 10 besitzt einen Radius R&sub2; von 60 mm, ein Dicke zwischen den Oberflächen 14a und 14b von 4 mm und eine Öffnung 16 mit einem Durchmesser von 10 mm. Ein beispielhaftes zur Herstellung des Körpers 12 verwendetes erstes Material ist Allyl-Diglykolkarbonat mit einem Brechungsindex von 1,4800 und ein beispielhaftes zur Herstellung des Körpers 12 verwendetes zweites Material ist Diallyl-Isophtalat mit einem Brechungsindex von 1,5700. Allyl-Diglykolkarbonat wird von der Pittsburgh Plate Glass (PPG) Corporation hergestellt oder synthetisiert, während Diallyl-Isophtalat von Polysciences Inc. hergestellt oder synthetisiert wird und sie sind deren Eigentum. Der beispielhafte Körper 12 wird unter Verwendung der oben erwähnten ersten und zweiten Materialien und des Schleuderformprozesses wie oben (und im U.S. Patent Nr. 4,022,855) beschrieben hergestellt. Die Form und der Träger wurden mit näherungsweise 10.000 U/min gedreht, um den parabolischen radialen Brechungsindex-Gradienten zu formen. Durch Verwendung der beiden oben aufgeführten beispielhaften Materialien wurde ein Körper 12 hergestellt, bei dem die Brechungsindizes im Verlauf von FIG. 2 von näherungsweise 1,56 bis näherungsweise 1,50 reichten.
Im Betrieb kommen Strahlen 20 von Strahlungsenergie, wie beispielsweise Licht von einem entfernten Bereich und fallen abgesehen von den Strahlen 20, die in den Bereich der Öffnung 16 oder außerhalb der äußeren Kante 21 eintreffen, auf die vordere Oberfläche 14a ein. Diese Strahlen 20, die auf die vordere Oberfläche 14a einfallen, treten in das optische Element 10 ein und breiten sich darin aus. Innerhalb des optischen Elements 10 breitet sich jeder Strahl 20 entlang einem eigenen Weg aus, der in Richtung der Längsachse 19 um ein Maß gekrümmt ist, das von den radialen Brechungsindex-Gradienten abhängt, die auf den Strahl 20 einwirken. Jeder Strahl 20, der auf die hintere sphärische Oberfläche 14b des optischen Elements 10 mit einem bestimmten Einfallswinkel Θ einfällt, wird durch die reflektierende Schicht 18 reflektiert und breitet sich ein zweites Mal durch das optische Element 10 aus. Der Rückweg jedes Strahls 20 durch das optische Element 10 ist ebenfalls abhängig davon gekrümmt, welche radialen Brechungsindex-Gradienten auf den reflektierten Strahl 20 einwirken. Jeder reflektierte Strahl 20 tritt aus der vorderen Oberfläche 14a des optischen Elements 10 aus und wird auf einen entfernten Brennpunkt (nicht gezeigt) gerichtet. Genauer gesagt, die reflektierten Strahlen 20 werden im Gradientenbereich gekrümmt, um vorzugsweise auf den entfernten Brennpunkt gerichtet zu werden.
In FIG. 3 ist eine seitliche Querschnittsansicht durch die Mitte eines optischen Systems 30 nach Cassegrain gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Das optische System 30 umfaßt eine Linse 32 und das optische Element 10 von FIG. 1 in dieser Reihenfolge entlang einer Längsachse 29 des Systems 30. Ein durch das System 30 aus den Strahlen 20 der von einem entfernten Bereich aus darauf einfallenden Strahlungsenergie erzeugtes Bild wird auf einer Bildebene 34 geformt, die entlang der Längsachse 29 des Systems 30 hinter dem optischen Element 10 angeordnet ist. Die Linse 32 umfaßt eine vordere Oberfläche 36a, eine sphärische hintere Oberfläche 36b und eine auf einem zentralen Teil der hinteren Oberfläche 36b befindliche reflektierende Beschichtung 38. Die Linse 32 wird aus jeglichem geeigneten für Strahlungsenergie homogen durchlässigen Material mit einem vorherbestimmten Brechungsindex geformt.
Im Betrieb kommen Strahlen 20 von Strahlungsenergie (z.B. Licht) von einem entfernten Bereich und treten in die vordere Oberfläche 36a ein. Diese Strahlen 20 werden durch die Linse 32 leicht gebrochen. Die Strahlen 20, die sich durch die Linse 32 ausbreiten und auf den begrenzten Unterbrechungsbereich auf einer ersten Oberfläche 38a der reflektierenden Beschichtung 38 (auf der hinteren sphärischen Oberfläche 36b der Linse 32) einfallen, werden zurück in Richtung des entfernten Bereichs reflektiert. Zum Zweck der Darstellung ist nur einer der auf die erste Oberfläche 38a der reflektierenden Beschichtung 38 einfallenden Strahlen 20 gezeigt. Die Mehrzahl der Strahlen 20, die sich in der Linse 32 ausbreiten und nicht auf die erste Oberfläche 38a der reflektierenden Beschichtung 38 einfallen, treten aus der hinteren sphärischen Oberfläche 36b der Linse 32 aus und sind auf das optische Element 10 gerichtet. Die auf das optische Element 10 einfallenden Strahlen 20 laufen durch den Körper 12 des optischen Elements 10 und werden (wie vorher beschrieben) zurück durch den Körper 12 und aus dem Körper 12 herausreflektiert und durch das optische Element 10 in Richtung der reflektierenden Beschichtung 38 auf der Linse 32 fokussiert. Es ist wichtig zu verstehen, daß die Reflexion der Strahlen 20 von der reflektierenden Schicht 18 auf der sphärischen Oberfläche 14b bewirkt, daß die Strahlen 20 zweimal durch das Material mit dem Brechungsindex-Gradienten des Körpers 12 des optischen Elements 10 laufen. Dies verringert die erforderliche Änderung des radialen Brechungsindex (δN in der in FIG. 2 gezeigten Kurve) und erreicht denselben Effekt, wie er bei einem im folgenden mit Bezug auf ein in FIG. 4 gezeigtes optisches System 50 beschriebenen optischen Element 60 vorliegt. Die durch das optische Element 10 laufenden Strahlen 20 treffen dann auf eine zweite Oberfläche 38b der reflektierenden Beschichtung 38 auf der Linse 32, werden von der Beschichtung 38 reflektiert und laufen durch die Öffnung 16 des optischen Elements 10 und werden auf die Bildebene 34 fokussiert (abgebildet). Es ist wichtig zu verstehen, daß, falls nötig, wie bei optischen Geräten nach dem Stand der Technik eine optionale Linse zur Feldrefokussierung 40 entlang der in Längsrichtung verlaufenden optischen Achse 29 hinter der Öffnung 16 des optischen Elements 10 hinzugefügt werden kann, um die Fokussierung der Strahlen 20 auf die Bildebene 34 zu unterstützen.
Die Bildung eines radialen Brechungsindex-Gradienten innerhalb des optischen Elements 10 gemäß der vorliegenden Erfindung bewirkt, daß die Oberfläche 14b des optischen Elements 10 hinsichtlich der Krümmung der Strahlen 20 asphärisch erscheint. Folglich wird im optischen System 10 durch Verwendung einer sphärischen Oberfläche zusammen mit einem radialen Brechungsindex-Gradienten der Effekt einer asphärischen Oberfläche erreicht. Die Vorteile des vorliegenden optischen Elements 10 und des optischen Systems 30 sind, daß die verspiegelten Linsenoberflächen sphärisch bleiben, leicht herzustellen sind und den beim Stand der Technik herrschenden Bedarf nach asphärischen reflektierenden Oberflächen beseitigen. Es ist wichtig zu verstehen, daß sphärische Oberflächen mit herkömmlichen Oberflächenerzeugern hergestellt werden. Zur Herstellung asphärischer Oberflächen sind kompliziertere Oberflächenerzeuger nötig.
In FIG. 4 ist ein optisches System 50 gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Das System 50 umfaßt ein durch einen parabolisch geformten Verlauf des Brechungsindex- Gradienten (wie in FIG. 2 gezeigt) gekennzeichnetes optisches Element 60 und einen in dieser Reihenfolge entlang einer Längsachse 56 des Systems 50 angeordneten Spiegel 52. Ein durch auf das System 50 einfallende Strahlen von Lichtenergie 80 erzeugtes Bild wird auf einer Bildebene 54 erzeugt, die sich entlang einer Längsachse 56 des Systems 50 hinter dem Spiegel 52 befindet. Das optische Element 60 ähnelt dem optischen Element 10 von FIG. 1 und umfaßt einen Körper 62 mit einer vorderen Oberfläche 64a, einer hinteren sphärischen Oberfläche 64b und einer Schicht 68 aus einem reflektierenden Material, die sich auf einem zentralen Teil der hinteren sphärischen Oberfläche 64b befindet. Die Schicht 68 aus reflektierendem Material bedeckt nur einen kleinen zentralen Teil der hinteren sphärischen Oberfläche 64b, statt die gesamte hintere Oberfläche 64b zu bedecken, wie es bei der Schicht 18 des optischen Elements 10 von FIG. 1 der Fall ist, welche die gesamte hintere sphärische Oberfläche 14b bedeckt. Das optische Element 60 wird aus jeglichem geeigneten für Strahlungsenergie durchlässigen Material mit einem vorherbestimmten radialen Brechungsindex-Gradienten mit der in FIG. 2 gezeigten Kennlinie geformt. Der Spiegel 52 umfaßt einen Körper 70, der eine sphärische vordere Oberfläche 72 besitzt, auf der eine Schicht 74 aus einem Strahlungsenergie reflektierenden Material geformt ist. Eine hintere Oberfläche des Körpers 70 gegenüber der vorderen Oberfläche 72 ist eben gezeigt, aber sie kann jede andere Form wie beispielsweise sphärisch oder asphärisch haben. Der Körper 70 und die Schicht 74 definieren eine zentrale Öffnung 76 durch diese.
Im Betrieb kommen Strahlen 80 von Strahlungsenergie von einem entfernten Bereich und treten in die vordere Oberfläche 64a des optischen Elements 60 ein. Die Strahlen 80 werden innerhalb des Körpers 62 des optischen Elements 60 abhängig von dem auf jeden Strahl 80 wirkenden Brechungsindex-Gradienten gekrümmt. Die sich im optischen Element 60 ausbreitenden und auf eine erste Oberfläche 68a der reflektierenden Schicht 68 (in der Nähe der hinteren sphärischen Oberfläche 64b des Körpers 62) einfallenden Strahlen 80 werden auf dieselbe Weise wie die Strahlen 20 der Linse 32 von FIG. 3, die auf die erste Oberfläche 38a der Schicht 38 einfallen, zurück in die Richtung des entfernten Bereichs reflektiert. Zum Zweck der Darstellung ist nur einer der auf die erste Oberfläche 68a der reflektierenden Beschichtung 68 einfallenden Strahlen 80 gezeigt.
Die Mehrzahl der Strahlen 80, die sich im optischen Element 60 ausbreiten und nicht auf die erste Oberfläche 68a der reflektierenden Schicht 68 einfallen, treten aus der hinteren Oberfläche 64b des optischen Elements 60 aus und sind auf den Spiegel 52 gerichtet. Es ist wichtig zu verstehen, daß es für bestimmte Strahlen 80 (nicht gezeigt) möglich ist, daß sie durch das Material mit Brechungsindex- Gradient des optischen Elements 60 gekrümmt und direkt in die durch den Spiegel 52 definierte Öffnung 76 gerichtet werden. Um zu verhindern, daß solche Strahlen 80 direkt durch die Öffnung 76 gerichtet werden, kann eine Streulichtblende 78, welche die Öffnung 76 umgibt und sich von der vorderen Oberfläche 72 aus erstreckt (wie im U.S. Patent Nr. 4,342,503 gezeigt), oder eine andere geeignete Einrichtung verwendet werden. Die auf die an der sphärischen vorderen Oberfläche 72 des Spiegels 52 angeordnete reflektierende Schicht 74 einfallenden Strahlen 80 werden zurückreflektiert und in Richtung einer zweiten Oberfläche 68b der reflektierenden Schicht 68 des optischen Elements 60 fokussiert. Die auf die zweite Oberfläche 68b der reflektierenden Schicht 68 treffenden Strahlen 80 werden auf eine Weise reflektiert, die bewirkt, daß sie durch die vom Spiegel 52 definierte Öffnung 76 laufen und auf die Bildebene 54 fokussiert (abgebildet) werden. Es ist wichtig zu verstehen, daß die durch den Körper 62 laufenden Strahlen 80, die danach auf den Spiegel 52 einfallen, nur einmal durch diesen laufen. Deshalb erfordert der Körper 62 des optischen Elements 60 eine größere Änderung des Gradienten (δN), als für den Körper 12 des optischen Systems 10 mit zweifachem Durchlaufen erforderlich ist. Das optische Element 60 vermeidet jedoch Störungen durch Fresnel-Reflexion, die durch die Oberfläche 14a des optischen Elements 10 von FIG. 3 erzeugt werden könnte.
Es ist bekannt, daß die Brechungsindexverteilung eines Mediums mit Brechungsindex-Gradient, bei dem der Brechungsindex-Gradient radial ist (d.h. mit dem Abstand von einer optischen Achse durch das Medium variiert), durch eine Potenzreihenentwicklung nach dem Radius "r" gemäß folgender Gleichung ausgedrückt werden kann:
N(r) = N&sub0; + N&sub1;r² + N&sub2;r&sup4; + N&sub3;r&sup6; + N&sub4;r&sup8; (1)
In Tabelle I sind Linsenparameter für ein beispielhaftes optisches System 50 gezeigt, das für eine 35 mm Kamera verwendbar ist; falls nicht anders angegeben erfolgen die Maßangaben in Millimetern; Sur = die Oberfläche (bezeichnet durch ihre Kennziffer) in FIG. 4;
R = der Radius der Oberfläche; und Th = die Dicke. TABELLE 1 Unendlich Spiegeldurchmesser (Bildebene = 15,0 mm hinter der hinteren Oberfläche des Spiegels 70) Luft (BK7 Glasspiegel)

Für ein optische Element 60 mit einem Durchmesser = 10 mm

δN= -0,0363 (gibt einen abnehmenden Gradienten an)
Effektive Brennweite (EFL) = 34,766
Numerische Apertur (NA) = 0,129
f-Zahl = f/3,86
Strehl-Verhältnis = 0,999
Airy-Radius = 28 Mikrometer
In FIG. 5, 6, 7, 8 und 9 sind verschiedene Diagramme (Plots) der Aberrationsleistung für das optische System 50 des Beispiels mit den oben angegebenen Parametern gezeigt. Diese Plots sind für Fachleute für den Stand der Technik selbsterklärend und werden bereitgestellt, um die Fähigkeit des optischen Systems 50, außerordentliche Aberrationskorrektur zu liefern, zu zeigen. FIG. 5 zeigt einen Plot der Strahl-Interceptleistung für das optische System 50 des Beispiels. Dieser Plot wird so interpretiert, daß Aberrationen und Koma minimal sind. Die y-Achse zeigt die Verschiebung komplanarer Strahlen 80 von FIG. 4 in der Bildebene 54 von FIG. 4 und die x-Achse zeigt die fraktionale Apertur dieser Strahlen 80 in der Eintrittspupille. FIG. 6 zeigt einen Plot des optischen Wegunterschieds für das optische System 50 von FIG. 4 des Beispiels. Der optische Wegunterschied wird typischerweise als der Abstand zwischen einem Satz von Strahlen und einem Bezugsstrahl definiert. FIG. 7 zeigt einen Plot des normalisierten Astigmatismus für das optische System 50 des Beispiels, in dem "S" den Plot für die Sagittalstrahlen darstellt und "T" den Plot für die Tangentialstrahlen darstellt. FIG. 8 zeigt einen Plot der normalisierten Modulations-Übertragungsfunktion für das optische System 50 des Beispiels. FIG. 9 ist ein Plot der normalisierten Verzerrung für das optische System 50 des Beispiels, der zeigt, daß keine Verzerrung vorliegt und die Linse über der Bildebene eine einheitliche Vergrößerung besitzt.
Es ist wichtig zu verstehen und zu erkennen, daß die spezifischen Ausführungsformen der Erfindung lediglich der Erläuterung der allgemeinen Prinzipien der Erfindung dienen. Übereinstimmend mit den in den beigefügten Patentansprüchen ausgeführten Prinzipien können verschiedene Modifikationen vorgenommen werden. Das optische System 10 kann zum Beispiel unter Verwendung eines geeigneten für Strahlungsenergie durchlässigen Materials mit Brechungsindex-Gradient für die spezielle verwendete Strahlungsenergie für jede Art von Strahlungsenergie wie Licht, Infrarot, usw. aufgebaut werden.

Claims

1. Ein optisches Element (10) mit

einem Körper (12) mit einer ersten Oberfläche (14a) und einer gegenüberliegenden zweiten Oberfläche, die sich radial nach außen von einer Längsachse (19) des optischen Elementes (10) erstrecken, wobei der Körper (12) ein Strahlungsenergie übertragendes Material mit einem radialen Brechungsindex-Gradienten mit einem vorgewählten Verlauf und eine Schicht (18) eines Strahlungsenergie reflektierenden Materials, das wenigstens auf einem Abschnitt der zweiten Oberfläche (14b) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Oberfläche (14a) gekrümmt ist und daß die zweite Oberfläche (14b) sphärisch ist.

2. Das optische Element nach Anspruch 1, bei dem:

die erste gekrümmte Oberfläche (14a) konkav ist; und

die zweite sphärische Oberfläche (14b) konvex ist.

3. Das optische Element nach Anspruch 1, bei dem das optische Element eine hindurchgehende Öffnung (16) definiert, die um die Längsachse (19) zentriert ist.

4. Das optische Element nach Anspruch 1, bei dem der Brechungsindex-Gradient des Strahlungsenergie übertragenden Materials des Körpers (12) mit zunehmendem Abstand von der Längsachse (19) des optischen Elementes abnimmt.

5. Das optische Element nach Anspruch 4, bei dem der Brechungsindex-Gradient des Strahlungsenergie übertragenden Materials des Körpers (26) mit zunehmendem Abstand von der Längsachse des optischen Elementes parabolisch abnimmt.

6. Das optische Element nach Anspruch 1, bei dem der Brechungsindex-Gradient des Strahlungsenergie übertragenden Materials des Körpers mit abnehmendem Abstand von der Längsachse des optischen Elementes zunimmt.

7, Das optische Element nach Anspruch 1, bei dem der Brechungsindex-Gradient mit abnehmendem Abstand von der Längsachse des optischen Elementes parabolisch zunimmt.

8. Das optische Element nach Anspruch 1, bei dem die Schicht (18) eines Strahlungsenergie reflektierenden Materials im wesentlichen die gesamte zweite sphärische Oberfläche (14b) bedeckt.

9. Das optische Element nach Anspruch 1, bei dem eine Beschichtung (24) aus Anti-Reflex-Material im wesentlichen die gesamte erste Oberfläche bedeckt.

10. Ein optisches System mit einer Längsachse (19; 56) und mit einem ersten optischen Element (10; 60), mit einem Körper (12; 62), mit einer ersten Oberfläche (14a; 64a) und einer zweiten entgegengesetzten sphärischen Oberfläche (14b; 64b) , die sich beide radial nach außen von der Längsachse des optischen Systems erstrecken, einem zweiten optischen Element (32; 52), und Schichten (18; 68, 74) von Strahlungsenergie reflektierendem Material, wobei die Schichten (18; 38, 68, 74) wenigstens auf einem Abschnitt der sphärischen Oberfläche (14b; 64b) und auf wenigstens einem Abschnitt des zweiten optischen Elementes (32; 52) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (12; 62) des ersten optischen Elementes (10; 60) ein Strahlungsenergie übertragendes Material mit einem radialen Brechungsindex-Gradienten mit einem vorbestimmten Verlauf aufweist.

11. Das optische System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite optische Element (32) eine sphärische Oberfläche (36b) aufweist, die die Schicht (38) aus reflektierendem Material auf einem Mittelabschnitt aufweist, wobei der Körper (12) des ersten optischen Elementes eine Mittelöffnung (16) definiert.

12. Das optische Element nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß von einem entfernten Bereich ankommende Strahlungsenergie (20), die auf das zweite optische Element (32) trifft, sowohl durch das erste als auch durch das zweite optische Element gebeugt wird und nacheinander durch die Schicht des reflektierenden Materials auf der sphärischen Oberfläche des Körpers des ersten und dann des zweiten optischen Elementes abgelenkt wird, bevor sie auf eine vorbestimmte Bildebene 34 fokussiert wird, die hinter dem ersten optischen Element (10) angeordnet ist.

13. Das optische System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite optische Element (52) ein Spiegel ist und eine Öffnung (76) in dessen Mitte definiert und eine sphärische Oberfläche (72) hat, die mit der Schicht (64) aus reflektierendem Material bedeckt ist, wobei die sphärische Oberfläche die vordere Oberfläche des Körpers des zweiten optischen Elements (52) ist.

14. Das optische System nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß von einem entfernten Bereich kommende Strahlungsenergie (80), die auf das erste optische Element (60) trifft, durch den Körper des ersten optischen Elementes gebeugt wird und nacheinander durch die Schichten des reflektierenden Materials auf der sphärischen Oberfläche des Körpers des zweiten und des ersten optischen Elementes abgelenkt wird und dann auf eine vorbestimmte Bildebene (54) fokussiert wird, die hinter dem zweiten optischen Element (52) angeordnet ist.

15. Das optische System nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die sphärische Oberfläche (64b, 72) des Körpers des ersten und des zweiten optischen Elements (60, 52) konvex ist.

16. Das optische System nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Brechungsindex-Gradient parabolisch mit zunehmendem Abstand von der Längsachse in dem Körper von wenigstens einem der ersten oder zweiten optischen Elemente, das den Index-Gradienten hat, abnimmt.

17. Das optische System nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Brechungsindex-Gradient mit abnehmendem Abstand von der Längsachse in dem Körper von wenigstens einem der ersten oder zweiten optischen Elemente, das den Index-Gradienten hat, zunimmt.

18. Das optische System nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Brechungsindex-Gradient parabolisch mit abnehmendem Abstand von der Längsachse in dem Körper des wenigstens einen der beiden ersten oder zweiten optischen Elemente, das den Index- Gradienten hat, zunimmt.

19. Das optische System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite optische Element (32) einen Körper mit einer ersten Oberfläche (36a) und einer zweiten entgegengesetzten sphärischen Oberfläche (36b) hat, die sich beide radial nach außen von einer Längsachse des zweiten optischen Elementes (32) erstrecken, wobei der Körper ein Strahlungsenergie übertragendes Material aufweist, das einen homogenen Brechungsindex aufweist, sowie eine Schicht (38) aus einem Strahlungsenergie reflektierendem Material, die auf einem Bereich entweder der ersten oder der zweiten Oberfläche angeordnet ist.