SE515659C2 - Optiskt system för akromatisk avbildning, innefattande konkavspegel - Google Patents

Description

25 30 515 659 2 En metod för att avhjälpa de nämnda olägenheterna är att luta spegeln mot den infallande strålgången så att avbildningen i fokalplanet uppstår utanför nämnda strålgång. Ett generellt namn för denna typ av optik är icke-axiell, innebärande att de ingående optiska komponentytonia ej har cylindrisk symmetri i avseende på en central optisk axel. Detta medför en betydligt ökad svårighetsgrad för att med hjälp av sfäriska ytor åstadkomma en avbildning utan avbildningsfel. I det nämnda fallet med en lutad konkavspegel måste denna ha icke-sfarisk eller asfarisk ytform vilket medför en betydande kostnadsökning eftersom dessa ytor är mycket svåra att framställa.

Sammanfattning av uppfinningen De nämnda olägenhetema, nämligen svårigheterna att med linsystem erhålla akromatiska avbildningar över ett brett våglängdsområde, svårigheterna att med ett axiellt spegelsystem erhålla en hel strålgång, samt slutligen svårigheterna att med icke-axiell optik reducera avbildningsfel, elimineras med föreliggande uppfinning som i huvudsak kännetecknas av att man i den infallande strålgången, och/eller i den utgående strålgången, applicerar åtminstone en lins med företrädesvis låg negativ styrka. Linsen är placerad i nämnda strålgång så att normalerna mot båda ytoma i nämnda lins bildar vinkel med en central stråle i nämnda strålgång, varvid nämnda lins och nämnda spegel samverkar till att dels åstadkomma en avbildning av nämnda objekt i ett fokalplan utanför nämnda infallande strålgång dels eliminera eller reducera avbildningsfelen i nämnda avbildning. Altemativt samverkar nämnda spegel och lins till att kollimera det utgående ljuset från en ljuskälla placerad vid nämnda avbildning. Övriga kännetecken för uppfinningen framgår av de åtföljande kraven.

Kortfattad beskrivning av ritningsfigurer Uppfinningen skall nedan beskrivas närmare med hjälp utföringsfonner visade på de åtföljande ritningama, där Figur IA, B visar ett känt system för icke-axiell avbildning av ett objekt innefattande en lutad konkavspegel.

Figur 2A, B, C visar ett system för avbildning enligt uppfinningen innefattande en lutad konkavspegel samt en negativ lins; Figur 3A, B, C visar ett system för avbildning enligt uppfinningen innefattande en lutad konkavspegel samt två negativa linser; Figur 4 visar ett system enligt uppfinningen för kollimering och avbildning.

O:\KR\mi053 l .doc 10 15 20 25 30 v ...n 515 659 3 Detaljerad beskrivning av föredragna utföringsformer Figur 1A visar ett icke korrigerat system för icke-axiell avbildning av ett objekt på ett fokalplan medelst en sfárisk konkavspegel 100. I exemplet i figuren har konkavspegeln krökningsradien 100 mm. Denna mottar ljus i fonn av en infallande strålgång 104 från ett, icke visat avlägset punktformigt objekt. Konkavspegeln är monterad icke-axiellt, innebärande att spegelytans 107 normal 101 i den punkt 102 som utgör den centrala strålens 103 i strålgången 104 träffpunkt på nämnda yta 107, bildar en vinkel 97 med nämnda centrala stråle 103. Nämnda vinkel 97 har valts så stor att fokalplanet 105 där strålama 106 efter reflektion i ytan 107 tillnärmelsevis konvergerar mot en punkt, ligger utanför den infallande strålgången 104. I det visade exemplet har lutningsvinkeln 97 värdet 13,0 grader. I figur 1A anges ytterligare ett fokalplan 108. Fokalplanen 105 och 108 avgränsar den del av strålgången 106 där strålama i densamma är tätast.

I figuren lB visar 109 en uppförstorad vy av den del av strålgången som avgränsas av fokalplanen 108 och 105. Bilden visar strålgången 106 mellan nämnda fokalplan 105 och 108. Cirklama 110 och 111 som innehålls i nämnda plan, har, i det visade exemplet, vardera en diameter på 2 mm. Av figuren framgår att ingen riktig avbildning av det punktformiga objektet erhålls, eftersom strålama i strålgången 106 ej någonstans går ihop till en tillnännelsevis väldeñnierad punkt. Nämnda strålars träffpunkter 98 i planet 105 har en tillnännelsevis vertikal utsträckning medan motsvarande träffpunkter 99 i planet 108 har en tillnärmelsevis horisontell utsträckning. Orsaken till formen hos dessa fördelningar är ett geometriskt optiskt avbildningsfel kallat astigmatism.

Vidare är strålama 106 ej syminetriskt fördelade utan uppvisar en tyngdpunkt åt ena sidan. Detta förorsakas av ett annat liknande avbildningsfel kallat koma. Såväl astigmatism som koma uppträder vid strålar som bildar vinkel med optiska axeln.

Ytterligare ett sådant avbildningsfel som breddar nämnda avbildning är s.k. sfarisk aberration, d.v.s. centrala strålar bryts samman i en annan punkt än randstrålama.

Figur 2A visar en utföringsforin av föreliggande uppñnning med den i figur 1 visade konkava spegeln 100. I figur 2A återfinns således spegeln 100 i samma icke-axiella uppställning som i figur 1A, innebärande att spegelytans 107 normal 101 bildar samma vinkel 97 med den centrala strâlen 103 i den infallande strålgången 104, som i figur 1A. Vidare återfinns den, efter reflektion i nämnda yta, utgående strålgången 106. I den infallande strålgången 104 har placerats en konvex-konkav lins 112. Linsens konvexa yta 113 är vänd mot objektet. Följaktligen är dess konkava yta vänd mot spegeln 100. Nämnda lins är O:\KR\mi05 31 .doc 10 15 20 25 30 515 659 4 orienterad så att de båda ytomas 113 och 114 norrnaler 115 respektive 118 genom nämnda linsytors mittpunkter, vardera bildar en vinkel 117 med den centrala infallande strålen 103.

I det visade exemplet i Figur 2A sammanfaller de båda linsnormalerna 115 och 118 till en gemensam normal. Med användande av allmänt tillgänglig programvara för optimering av optiska system kan linsens lutningsvinkel 117 och linsytomas 113 och 114 krökningsradier bestämmas. Med nämnda program kan avbildningsfelen hos avbildningen i fokalytan 116 minimeras i avseende på ingående valbara variabler, vilkas värden sålunda blir bestämda då avbildningen är optimalt god, d.v.s. då bidragen från alla avbildningsfel uppvisar ett minimum. l nämnda optimering kan ingå samtidigt ett flertal våglängder hos det infallande ljuset i strålgången 104. Om man för det visade exemplet, väljer kvartsglas som material för linsen och låter linsytomas 113 och 114 krökningsradier, linsens lutningsvinkel 117 samt fokalytans 116 avstånd till punkten 102 på spegelytan, utgöra variabler i en sådan optimering, verkställd samtidigt för våglängderna 200 nm, 250 nm, 300 nm, 500 nrn och 1200 nm hos ljuset i strålgången 104, erhåller man; ytans 113 krökningsradie 98,7 mm, ytans 114 krökningsradie 90,2 mm, lutningsvinkeln 117, 45,6 grader samt avståndet mellan fokalytan 116 och centralpunkten 102 52,6 mm. 1 figur 2B anger 122 en uppförstorad vy av fokalplanet 116. I detta har en cirkel 119 inritats så att denna har samma diameter 2 mm som motsvarande cirklar 110 och 111 i figur lB. Punktema 121 i ytans mitt utgör träffpunktema för strålarna i strålgången 106.

Nämnda träffpunkters fördelning jämförda med fördelningen för motsvarande strålars träffpunkter 99 och 98 i fokalytoma 110 och lll i figur 1B, visar den genom föreliggande uppfinning erhållna fördelen, nämligen att de tidigare nämnda avbildningsfelen kraftigt reducerats.

Avbildningen enligt föreliggande uppfinning kan ytterligare förbättras genom att man låter närnnda lins 112 vara prismatisk, d.v.s. att de båda linsytomas normaler 115 och 118 ej sammanfaller utan att nämnda normaler, förutom att båda bilda vinkel, med centrala strålen 103, även inbördes bildar vinkel med varandra. Man kan därvid låta även denna vinkel ingå som variabel i ovannämnda optimering.

I figur 2C visar 123 ytterligare en förstorad vy av fokalytan 116. I denna återfinns cirkeln 119 samt fördelningen av strålarnas i strålgången 106 träffpunkter 120 på nämnda yta, efter en optimering med linsens prismatiska vinkel som ytterligare fri variabel.

Den uppnådda förbättringen enligt uppfinningen framgår genom jämförelse av fördelningarna 120 och 121. I många praktiska tillämpningar är det dock fullt tillräckligt med den avbildning som en icke-prismatisk lins 112 enligt uppfinningen ger.

Ot\KR\mi053l .doc 10 15 20 25 30 .H f.. n n .n n. n. n. . ...n n n. n. n. i. n . ._ .n n n »n »n nn in n n *nn n n-n .ii .in n -n n. :nu n nn n n ~ n n n n n n. n n .n n n n n n n a n. i. .n .- . n n » i n 5 Den snedställda linsens 112 inverkan på avbildningen enligt uppfinningen kan förstås genom att nämnda lins i huvudsak eliminerar de ovannämnda avbildningsfelen astigmatism och koma, törorsakade av den snedställda spegeln 100. Därtill bidrar nämnda lins till reducering av avbildningsfel, såsom sfarisk aberration. Beräknar man den i optimeringen erhållna linsens fokalavstånd, får man att detta har det numeriska värdet - 2370 mm vid 500 nni. Linsens styrka är därvid låg, d.v.s. endast -0.42 dioptrier som kan jämföras med spegelns styrka på 20 dioptrier. Spegeln svarar alltså för den dominerande fokuseringen som följaktligen p.g.a. reflektionen är lika för alla ljusets våglängder.

Kombinationen med linsen 112 enligt uppfinningen korrigerar med en låg brytförrnåga spegelns avbildningsfel varvid de våglängdsberoende effekter som linsen ger upphov till, blir små och därför ej nämnvärt försämrar avbildningen.

Den enligt uppfinningen erhållna avbildningen kan ytterligare förbättras genom att mellan spegeln 100 och fokalplanet 116, enligt uppfinningen, infoga ytterligare en lutad korrigerande lins. Figur 3A visar denna utföringsforrn. I figur 3A återfinns den infallande strålgången 104 med den centrala strålen 103, linsen 112 med normalerna 115 och 118, konkavspegeln 100 med den reflekterande ytan 107 samt det efter reflektion utgående konvergenta strålknippet 106. Mellan fokalytan 116 och spegeln 100 men utanför strålgången 106 har placerats en lins 124. Denna tjänar syftet att ytterligare förbättra avbildningskvaliteten på fokalytan 116. I det visade exemplet har båda linsytorna 126 och 125 cylindrisk ytform.

Den cylindriska ytan 125, som är vänd mot spegeln, är orienterad så att nämnda ytas cylinderaxel ligger i det plan som figur 3A definierar. Linsens 124 andra yta 126 är å andra sidan orienterad så att dess cylinderaxel är vinkelrät mot figurens 3 plan. Således bildar de båda linsytornas 126 och 125 cylinderaxlar en rät vinkel med varandra. På ett för fackmannen välkänt sätt kan linsytomas krökningsradier bestämmas med hjälp av den tidigare nämnda mjukvaran för optimering av optiska system. I denna optimering kan som variabler ingå såväl de nämnda ytornas 126 och 125 krökningsradier, linsens 124 orientering och placering i strålgângen 106, avståndet mellan fokalplanet 116 och spegeln 100, krökningsradiema för linsens 112 ytor 113 och 114, samt slutligen lutningsvinkeln 117 för nämnda lins.

På samma sätt som i figurer 2B, C anger 127 i figur 3B en separat vy av fokalplanet 116. I detta återfinnes cirkeln 119 med diametern 2 mm. Punkterna 128 utgör även nu träffpunkterna för strålarna i strålgången 106 med fokalytan 116. Nämnda träffpunkters fördelning jämförda med fördelningen för motsvarande strålars träffpunkter 120 och 121 i figurer 2B, C, visar den genom utföringsforrnen i figur 3A av föreliggande uppfinning erhållna ytterligare förbättringen av avbildningens kvalitet.

O:\KR\mi0531.doc 10 15 20 25 30 i.. u. » . .e n .x .. . -H- . .i t. n. .- ø . -. .. .

I u. ~. s. -a v q om» u .n H- is» r -- -y v., .i -. a - » f ~ . u v -s o n .i s | u e f a . i» .. i. .- . . . » . . 6 Träffpunktemas 128 fördelning visas upptörstorat i en separat vy 129 i figur 3C.

Denna är sammansatt av träffpunktema för de tidigare nämnda 5 olika vågländema mellan 200 mn och 1200 nm. Träffpunktemas totala utbredning är 0.05 mm och samtliga strålars radiella s.k. RMS-värde är 0.02 mm. Detta illustrerar den enligt uppfinningen erhållna fördelen nämligen att man genom densamma förmår åstadkomma en avbildning med reducerade eller eliminerade avbildningsfel, verkställd över ett mycket brett våglängds- område, som i det visade exemplet är från 200 mn i UV över det synliga och upp till 1200 mn i nära infrarött, NIR.

Figur 4 visar en anordningen enligt uppfinningen för såväl kollimering som avbildning. I figur 4 återfinns en konkavspegel 131 liknande konkavspegeln 100 i figur 2A. _ Analogt är linsen 132 likadan som linsen 112 i figur 2A. Linsen 132 och spegeln 131 är anbragta så att de, enligt uppfinningen åstadkommer en avbildning i planet 130 av en tänkt avlägsen ljuskälla. Emellertid har i nämnda plan 130 placerats ett litet objekt, t. ex en ljuskälla. Följaktligen blir strålgången i anordningen enligt uppfinningen bestående av ljuskällan 130, spegeln 131 och linsen 132, omvänd. Det i figur 2A visade infallande strålknippet 104 blir i figur 4 ett utgående strålknippe 137. Det utgående strålknippet 137 blir nu enligt uppfinningen ensriktat, eller kollimerat, innebärande att samtliga strålar i strålknippet 137 är inbördes tillnärrnelsevis parallella. De kollimerade strålarna passerar linsen 133, konkavspegeln 134 och uppfångas slutligen av fokalplanet 135, vilka tre sistnämnda objekt tillsammans bilda en anordning enligt uppfinningen. De kollimerade strålama mottas av linsen 133 och spegeln 134 såsom härrörande från ett avlägset punktformigt objekt, varvid avbildningen av detta på fokalplanet 135 blir fri från avbildningsfel enligt uppfinningen. I figur 4 är ljuskällan 130 och fokalplanet 135 avsiktligt placerade så att dessa befinner sig på var sin sida om den gemensamma kollimerade strålgången 137. Detta sätt att tillämpa uppfinningen kan visas vara det mest fördelaktiga.

Ljuskällan 130 kan utgöras av en optisk fiber eller en rund, rektangulär eller spaltformad öppning.

I figur 4 betecknar 136 generellt en eller flera anordningar som det kollimerade ljuset passerar. En sådan anordning enligt uppfinningen i figur 4 erhålls genom att 136 får beteckna en s.k. kyvett, av känt utförande, innehållande ett vätske- eller gasformigt prov som ljuset transmitterar, varvid ljuset efter att ha passerat fokalplanet 135 leds vidare till en känd anordning för mätning av transmission.

En annan anordning enligt uppfinningen i figur 4 erhålls genom att 136 får beteckna ett eller flera våglängdsspridande optiska organ från gruppen prismor eller O:\KR\mi053 1 .doc 515 659 7 \ ' . . . . diffraktionsgitter. Objektet 130 utgörs då av en ingångsöppning, genom vilken ljuset från en icke visad lj uskälla infaller. Anordningen enligt figur 4 visar då en optisk spektralapparat eller s.k. spektrograf. I fokalplanet 135 erhålls ett spektrum som registreras på känt sätt.

Uppñnningen är icke begränsad till de visade utíöringsexemplen på densamma, utan kan varieras på ett for fackmannen uppenbart sätt, inom ramen for efterföljande patentkrav.

O:\KR\mi053l .doc

Claims (14)

10 15 20 25 30 u. i.. . . .. .. h u . n.. » -. -- .. .. . , ,. .. , s -f .. s. -u n a .in | n. n- tu v -u -s n.. nr u. u I - 1 - . - a .p u v »- v 1 s - . - . n H .s ., X « . = . - PATENTKRAV

1. l. System för att åstadkomma en optisk avbildning av ett objekt, och/eller för att åstadkomma optisk kollimering av ljus från en ljuskälla (l30;), innefattande en konkavspegel (100; 131; 134), eller ekvivalent medel, i en uppställning där nämnda spegels ytnormal (101) bildar vinkel (97) med det infallande ljuset (104) i en strålgång, k ä n n e t e c k n at a v att man i den infallande strålgången (104), och/eller i den utgående strålgången (137), applicerar åtminstone en med konkavspegeln samverkande lins (112; 124; 132, 133), eller ekvivalent medel, så att i nämnda strålgång (104, 137) norrnalema (115, 118) mot båda ytorna i nämnda lins (112) bildar vinkel (117) med en central stråle i nämnda strålgång (104), varvid nämnda spegel (100; 131; 134) och nämnda samverkande lins (1 12; I 124; 132, 133) är anordnade så att de dels åstadkommer en avbildning av nämnda objekt i ett fokalplan (116; 130, 135) utanför nämnda infallande strålgång (104, 137), dels eliminerar eller reducerar avbildningsfel i nämnda avbildning, och/eller att nämnda spegel (131) och samverkande lins (132) är anordnade så att de kollimerar det utgående ljuset från en ljuskälla (130) placerad vid nämnda avbildning.

2. System enligt krav 1, k ä n n e t e c k n at a v att linsen är negativ (112) varvid numeriska värdet av dess brännvidd är stor i förhållande till motsvarande numeriska värde av spegelns (100) brännvidd.

3. System enligt något föregående krav, k ä n n e t e c k n at a v att konkavspegelns ytform är sfárisk.

4. System enligt något föregående krav, k ä n n e t e c k n at a v att linsen är konvex- konkav.

5. System enligt något föregående krav, k ä n n e t e c k n at a v att linsen är prismatisk.

6. System enligt något föregående krav, k ä n n e t e c k n at a v att den samverkande linsen (112) är lutad motsatt spegelns (100) lutning relativt en central stråle i den infallande strålgången (104). O:\KR\mi053l .doc 10 15 20 25 5 a vs vc nu i: I l lll! u oxo 9

7. System enligt något föregående krav, k ä n n e t e c k n at a v att ytterligare en lutad lins (124) är anordnad i strålgången från spegeln (100) till fokalplanet (116), alternativt från ljuskällan till spegeln.

8. System enligt krav 7, k ä n n e t e c k n at a v att den ytterligare linsen (124) består av två korsade cylinderytor (125, 126).

9. System enligt krav 1, k ä n n e t e c k n at a v att 1juskällan(130) utgörs av en optisk fiber, alternativt en rund, rektangulär eller spaltformad öppning.

10. System enligt krav 1, k ä n n e t e c k n at a v att detta innefattar både ett system för optisk kollimering av ljus från en ljuskälla (130) samt ett system for åstadkommande av optisk avbildning av ett objekt i ett fokalplan (135).

11. System enligt krav 10, k ä n n e t e c k n at a v att i det optiskt kollimerade ljuset (137) är en kyvett (136) anordnad.

12. System enligt krav 10, k ä n n e t e c k n at a v att i det kollimerade ljuset (137) är ett eller flera prismor/diffraktionsgitter (136) anordnade.

13. System enligt något av kraven 10-12, k ä n n e t e c k n at a v att ljuskälla (130) och fokalplan (135) är anordnade på var sin sida om den kollimerade strålgången (137), alternativt den tänkta kollimerade strålgången (137) som erhålls sedan strålgången i nämnda prisma/diffraktonsgitter beaktats.

14. System enligt något av kraven 12-13, k ä n n e t e c k n at a v att i nämnda fokalplan (130) är placerad en detektor för registrering av ljuskällans (135) spektrum. O:\KR\mi053 1 .doc