DD144125A1 - Spiegellinsenobjektiv mit telezentrischem strahlengang - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Spiegellinsenobjektiv mit telezentrischem Strahlengang zur Abbildung eines Kreisrings von der Objektebene in die Bildebene im Masstab 1:1. Es ist das Ziel der Erfindung, ein Spiegellinsenobjektiv mit telezentrischem Strahlengang und kreisfoermiger Pupille ohne Zentralabschattung zu schaffen, das eine optimale Kontrastuebertragung ermoeglicht, was dadurch erreicht werden soll, dass jede der Haelften des Objektives aus einem Hohlspiegel mit einer zentralen Durchbohrung, einem erhabenen Rueckspiegel und einem Linsensystem aus mindestens zwei Linsen entgegengesetzter Brechkraft C ind1, D ind1, C ind2, D ind2, die sich innerhalb der Durchbohrung des Hohlspiegels befinden, besteht. - Fig. 1 -

Description

Titel; Spiegellinsenobjektiv mit 'teIezentrischem Strahlengang

Anwe ndungs gebiet der^: Er fin dung:

Die Erfindung betrifft ein Spiegellinsenobjektiv mit telezentrischem Strahlengang zur Abbildung eines Kreisrings von der Objektebene'in die Bildebene im Maßstab 1i1 und dient zur Herstellung von Teilkreisen mit Gradeinteilung und entsprechender Beschriftung aber auch von-anderen.Skalen oder Kurven, die auf einem Kreisring angeordnet sind, wie sie in vielen optischen Geräten insbesondere Vermessungsgeräten benötigt werden, mittels fotolithografischer Verfahren.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen:. Zur ,Abbildung relativ großer Bildfelder bzw. 'Teilausschnitte dieser Felder im Maßstab 1:1 werden symmetrisch aufgebaute linsenobjektive verwendet. Das hat den Nachteil, daß die Linsenobjektive, -die der Aufgabenstellung entsprechen, eine große Baulänge und einen dementsprechend großen Objekt-Bildabstand haben. Die Baulänge dieser Linsenobjektive ist 4-5 mal größer, ihr Objekt-Bildabstand bis zu 7,5 mal größer als der nutzbare Bil'dfelddurchmesser. Die Objektive neigen daher zu Schwingungen und sind gegenüber Erschütterungen sehr empfindlich. Die chromatische Korrektion von Linsenobjektiven dieser Abmessungen ist

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schwierig und. läßt sich in Verbindung mit der Forderung nach hohem Auflösnngsvermögen und gutem Kontrast nur mit einer großen. Anzahl- von Linsen mit durchweg großem Durchmesser aus z.T. technologisch . aufwendig zu fertigenden Glasarten verwirklichen.

Zur Abbildung im Maßstab 1:1 sind auch symmetrisch aufgebaute Spiegelobjektive mit oder ohne zusätzliche Linsen vorgeschlagen worden» Diese Objektive haben zwar einen geringeren Objekt-Bildabstand, wei~ sen aber alle den lachteil auf, daß ihre Ein- und Austrittspupillen die Form eines Kreisrings haben. Eine optimale Kontrastübertragung ermöglichen sie jedoch nicht, da die optische Übertragungsfunktion eines Systems mit Kreispupille, auch wenn keinerlei Aberrationen vorhanden sind, erheblich niedrigere Vierte aufweist als bei einem vergleichbaren Objektiv ohne Zentralabschattung der Pupille,

Ein spezielles Abbildungssystem, das nur Spiegelflächen verwendet, ist für den Abbildungsmaßstab 1:1 mit gleichen Krümmungsradien aller Spiegel ausgerüstet« Damit läßt sich zwar ein geebnetes Bildfeld erreichen, aber zur Korrektion des Öffnungsfehlers müssen alle Spiegelflächen asphärisch ausgeführt werden« Außerdem weist dieses Objektiv ebenfalls eine Kreispupille auf und erzeugt das endgültige Bild mittels einer Zwischenabbildung, so daß auch mit diesem Objektiv keine optimale Abbildung möglich ist«,

Es sind auch konzentrische Spiegelobjektive bekannt, bei denen sämtliche Spiegelflächen einen gemeinsamen Krümmungsmittelpunkt haben.c Mit diesen Objektiven lassen, sich sehr gute Abbildungseigenschaften in einem beschränkten Abschnitt eines Kreisrings erzielen^ Die

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- 3 ~ 2

Abbildung eines vollen. Kreisrings ist jedoch mit diesem Aufbau nicht möglich» . .·..-...'

Symmetrische Spiegellinsenobjektive, bei denen alle Spiegel durchbrochen sind, finden ebenfalls, für den Abbildungsmaßstab 1:1 Verwendung, Sie sind für extremgroße Winkel im Objeitt-Bildraum gedacht, arbeiten mit geringer Apertur über, zwei Zwischenabbildungen und haben nur ein mäßiges Auflösungsvermögen«

Ziel der Erfindung;, ' . .

Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Spiegellinsenobjelrtivs mit telezentrischern Strahlengang und ^: kreisförmiger 'Pupille ohne Zentralabschattung, das eine optimale Kontrastübertragung und hohes Auflosungsvermögen im Bereich des abzubildenden Kreisrings mit einem Durchmesser von über 100 mm ermöglicht.

Darlegung deS₁ Wesens der Erfindung:

Die Erfindung hat die Aufgabe, dieses Ziel mit minimalem Objekt-Bildabstand, kompakter Bauweise"und einer möglichst großen Apertur zu erreichen« Diese Aufgabe · wird gemäß der Erfindung durch ein Spiegellinsenobjektiv mit telezentrischem Strahlengang und kreisförmiger Pupille ohne Zentralabschattung, das ' .' aus zwei ' zu einer Symmetrieebene E symmetrischen Hälften besteht und zur Abbildung eines in der ,Objektebene 0 befindlichenKreisrings K im Maßstab 1:1 in eine Bildebene 0* dient,. · dadurch gelöst, daß jede der Hälften des Objektivs aus einem Hohlspiegel A^, A_? mit einer zentralen Durchbohrung, einem erhabenen Rückspiegel und einem Linsensystem aus mindestens z-wei Linsen entgegengesetzter Brechkraft C₁₅D.,; 0-,I)₀, die sich innerlialb der Durchbohrung des. Hohlspiegels befinden, besteht« Die Erfindung wird vorteilhaft dadurch aus·*· gestaltet, daß der Wert .der Brennweite des halben Ob--

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OQ Ci-InQl Q $R-| U

jektivs fA zwischen 90 % und 110 % des äußeren Kreisringdurchmessers -0_ , das Verhältnis der Radien der Spiegelflächen r-otr. zwischen den Werten 1 ,35 und 1,50 liegt, der Abstand d~ zwischen den Spiegelflächen zwischen 24 % und 26 % vom Radius des Hohlspiegels r_A beträgt und die Brennweite des linsensystems f4 1,8 2 mal größer ist als die Brennweite fJV des. halben Objektivs« Pur das Objektiv gelten in Formeln ausgedrückt' folgende Werte: . . 0,90 0^ c f^ c 1,10 0^

.1,35 r_A c r_B ^ 1,50 r-_A .' . . 0,24 r_A c d₃ ^ O,26.r_A 1,8 f^ .^.f^ c 2,0 f^

Es ist zweckmäßig, die Brennweite des Gesamtsystems f^f größer als das 10-fache, aber kleiner als das 20-fache des äußeren Kreisringdurchmessers 0-, zu wählen und sämtliche Linsen des Objektivs in einer gemeinsamen Fassung in Richtung der optischen Achse des Objektivs anzuordnen, die geringfügig gegenüber den feststehenden Spiegeln verschiebbar ist. Die erhabenen Rückspiegel können je an einer planparallelen Platte aus · optischem Glas befestigt werden* In der Symmetrieebene ist eine kreisförmige Blende vorgesehen, deren Durchmesser:;· sich verändern läßt, um Apertur und Schärfentiefe variieren zu können*

Ausfuhrungsbeispiels

Die Erfindung soll anhand von zwei schematischen Zeichnungen näher erläutert .-werden« Es zeigern _:

Pig,1 eine Schnittdarstellung eines erfin™ dungsgemäßen Spiegellinsenobjektivs mit Strahlengang ' '

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g.2 eine Schnittdarstellung eines erf indungsgemäßen Spiegellirisenobjektivs, bei dem die Rückspiegel an Glasplatten , befestigt sind«, _ff,_ff Senkrecht zu einer optischen. Achse^v liegt'.eine Bien-. .denebene'E, die die-Symtnetrieebene des telezentri-schen Spiegellinsenobjektivs darstellt. Unmittelbar an der Blendenebene E sind zwei Korrekturlinsenpaare C₁D. und Cp^D2 *~ⁿ ^^er Bohrung zweier Hohlspiegel A-, und Ap angeordnet« Die gekrümmte Fläche des Hohlspiegels A 1 ist einem in einem Abstand d^ angeordneten erhabenen Rückspiegel B. und einem in der Objektebene

0 befindlichen Kreisring zugewandt«, Die gekrümmte Fläche des Hohlspiegels Ap ist einem in einem Abstand d_o angeordneten erhabenen Rückspiegel Bp und zur Bildebene

0¹ zugewandt, in die der Kreisring K im Maßstab 1:1 abgebildet wird. Ausgehend von der Objektebene Ό wird das Bild des Kreisrings K über den Hohlspiegel A- und den erhabenen Rückspiegel B- durch die Linsenpaare . CjD- und D₂Cp über den erhabenen Rückspiegel B₂ und Hohlspiegel A₂ in die Bildebene im Maßstab 1:1 projiziert/: .

V/eiterhin werden die Bedingungen aufgezeigt, die beim Ansatz des Spiegellinsenobjektivs gemäß der Erfindung vorteilhaft sind. Zuerst wird .die Brennweite des Halbobjektivs f-A- bestimmt, wenn der äußere Durchmesser 0

· ii a

des abzubildenden Kreisrings 0 bekannt ist„ Dazu wendet misn die Gleichung für die Bildgröße eines verzeichnungsfreien Objektivs y'=f^ftan (f auf die Objektfiälf te an« Auch wenn ein Halbobjektiv nicht streng verzeichnungsfrei sein muß, weil ein zweites Halbobjektiv symmetrisch mit dem ersten kombiniert wird, ist die Bezeichnung ί'Λ« tan e?V, = 0^/2 eine gute liähe rung» Den. Blendenwinkel 6"_B wählt man so groß wie möglich, der

erfindungsgemäße.Aufbau läßt CC = 24°-29° zu, wenn

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f. ri i"> ι" ι -ι Π "i Π -ν Κ' Ά Γι

man gleichzeitig telezentrischen Strahlengang im Objekt-Bildraum anstrebt, ^^ diesen Werten des Blendenwinkels erhält, man für die Brennweite des Halbobjektivs f^ die Beziehung 0,9 ψ^ £ f£ ^- 1,1 0g." Will man außerdem einen möglichst-geringen -BiIdab- · stand erzielen, so wählt man das Verhältnis der Spiegel im Bereich 1 ,.35 3?. <£ r-g <^ 1,50 r. und den Abstand der Spiegel A₁ und Ap = d_Q gemäß 0,24 ^γλ ^{< :} . d~ < 0,26 r.. Auf diese ¥/eise kann die Baulänge des Objektivs kleiner als das zweifacherer Objekt-Bildabstand kleiner als das dreifache des äußeren Durch- messers 0^des abzubildenen Kreisrings gehalten werden. Es ist die Aufgabe des Linsensystems, den Wert für die Petzvaisumme,der für das Spiegelsystem des

15. halbei Objektivs -0,4 bis -0,5 betragt,, zu verbessern und gleichzeitig die übrigen Bildfehler des "Spiegel-.systems zu kompensieren, ohne merkliche chromatische . Aberration einzuführen. Das wird für das 'Halbobjektiv erreicht mit einem System von zwei Linsen entgegengesetzter Brechkraft, das nach der Art eines Altachromaten aufgebaut ist* Die notwendige Brechkraft des Linsensystems 1/r4 braucht nur etwa halb so groß wie die des .Halbobjektivs 1/fjj zu sein. Man wählt infolgedessen die Brennweite, des Linsensystems f! im Bereich 1,ö r£ <· f-^ <-2,ö fj. Den Wert der Petzvalsumme für das Halbobjektiv wählt man zweckmäßig in der Größenordnung -0,03 bezogen auf fJl = 1 ,um. eine optimale Bildfeldebnung im Bereich des abzubildenden Kreisrings zu erhalten.-Da ein Spiegelsystem völlig' farbfehlerfrei ist und die Brechkraf't des Linsen- " systems klein gewählt werden kann, hat auch das Gesamtsystem nur sehr geringe chromatische Aberrationen» Die Lage der Linsen innerhalb der Durchbohrung der. Hohlspiegel hat keinen entscheidenden Einfluß auf die Bildqualität. Aus räumlichen und fassungstechnischen

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Gründen.,ist es zweckmäßig, sie so nahe wie möglich an der Blendenebene/anznordnen»

Figur 2 zeigt das Objektiv gemäß"der Erfindung, bei dem die Rückspiegel IL und Bp an je einer planparalle len, Glasplatte 1 und 2 befestigt sind* Ist.der Strahl. lengang im Bereich des abzubildenden Kreisrings K möglichst telezentrisch, erleichtert das die Justierung der Objekt- 0 und Bildebene Q¹ zum Objekt ganz erheblich, da sich kleine Lageänderungen dieser Ebe~

1Ü nen 0 und O¹ nicht auf den Abbildungsmaßstab auswirken. Man erreicht das, indem man die Brennweite f^r des Gesamtobjektivs größer als das 10-fache, aber kleiner als das 20-fache des äußeren Kreisringdurchmessers wählt» Will man dagegen den Abbildungsmaßstab gezielt um geringe Beträge verändern, wie es. zum Beispiel zum Ausgleich von Pertigungsungenauigkeiten wünschenswert sein kann, so ist es zweckmäßig, sämtliche Linsen des Objektivs in einer gemeinsamen Passung in Richtung der optischen Achse relativ zu

20.·' den feststehenden Hohlspiegeln A| und Ap geringfügig zu verschieben,,

Unmittelbar an der Blendene'bene E, im Abstand e voneinander symmetrisch um die Blendenebene E gind die Linsen C^T)^¥, und Cp Dp ^p ⁱⁿ ^-^en Bohrungen der Hohlspiegel A-, und Ap angeordnet*'Damit ist es möglich,, eine fas-t ideale Abbildung innerhalb des abzubildenden Kreisrings zu erreichen« Dabei sind r. ₅ r_?, r-,γ und r.n die Außenflächen der planparallelen. Glasplatten 1 und 2 der Dicke d. an denen die erhabenen Rückspiegel B,-und B^ mit-den Krümmungsradien r, und. r.- befestigt sind* Die Radien der Hohlspiegel sind durch ro und r^^ bestimmt» Die Korrektur lins en F., und Fp haben je· eine konvexe Krümmung iv und r.^, eine konkave Krümmung iv und r,^ Die ICrümmungsradien der Korrekturlinsen CL und Cp sind gekenn-

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η ο OCi -iO'7-0, i{. Ri ti

zeichnet durch die Krümmungsradien, rγ. und r-tp* ^-^e

γ.

Linsen D- und Dp mit je zwei konvexen Krümmungen sind bestimmt durch die Radien r_g und..r-- sowie r„ und r-₀ für die der Blendenebene im Abstand ir/2 zugewandten Seiten der Linsen D- und D₂. Die Größe d₂ ist ein Maß für die Entfernung der gedachten Scheitelpunkte P- und P₂ der durchbohrten Hohlspiegel A- und Ap zur Fläche r₂ der Glasplatte 1 und r-.-, der Glasplatte 2« Der Abstand von P- und P_? zu den Scheitelpunkten P- und P, der erhabenen Rückspiegel B- und B₀ ist d~„

Die Distanz zwischen den Scheitelpunkten Pj- und Pg -..· der .Korrekturlinsen F- und F₂ und den Punkten P^ ^ und P. ist d.. Die Dicke der Korrekturlinoen F. und F_n ist dr-, die der Linsen-C- und C₀ ist ä_r, die

15. der Linsen D- und D_? ist dg· Die Stärke des Luftspalts zwischen den Linsen C-D- und CpDp ist d~, Nachfolgend sind die Konstruktionsdaten von drei Konstruktionsbeispie.len aufgeführt, die auf die Brennweite des Halbobjektivs von f·^ = 100 mm normiert und für eine numerische Apertur von. 0,12 bestimmt.sind»

Krümmungsradien Abstände u»Dicken Brechzahlen für

s=s·= 39,746 . n_e( =546 nm) ng( =436nm).

^r1⁼ °° ^₁= 12,719 ) 1,51859 1,52658

r₂= ω d_g= 44,035 ) .

d₃= 3Q532

. d₄= 32,785

.^ 81,754 d₅= 19,873) . 1,73430· 1,76206

r₆=+ 56,958 dg= 0,762)

r_?B+ 65,685 d_?= , 7,949 ) ^₄₈₉₁₅ ^49598 r₈=-298_s825 e = 1,590 )

Äußerer Durchmesser d*Kreisrings 0 =95,39 fA =

Innerer Durchmesser d*Kreisrings 0^=85,85 f = 1724,38

' :.' 346y

Krümmungsradien Abstände u·Dicken s=s' = 45,337

^rr

00

r₅=+ 87,713 r₆=+184₅207 r_?=+ 71,384 r₈=+ 87,931

d₁₌;10,135) > d₂= 38,938) d₃= 36,116 d₄= 28,187 d₅= 14,508 ) d₆= 8,1.61)) d₇= 1,200) d₈= 9,067 ) e = 1,813 ) Brechzahlen für

=436nm). 1?52658 ·

n_e( =546 nm).n

1,51859

1,51859 1,72794

1,51859

1,52658 1,74803

1,52658

Äußerer Durchmesser d_eKreisrings 0 =107,90

^fH⁼

Innerer Durchmesser d.Kreisrings 0.= 97,02 f'=1266,24

^r1^{= 00}I rp= oo

r₃=-147,792 r^=»206,774 r₅=+ 90,967 r₆=+250,522 r₇=+ 72,293 r₈=+ 95,504 r_g=~248₅1b4

s=s'= 35,625 d₁₌ 17,402) d₂= 50,099) d₃= 37,048 d₄= 28,417 d₅= 15,661) d^= 6,004) 1,671 8,0y2 η ( =546 nm) 1,51859

^d8= 1,62410 1,70445 1,51859

e = 1 ,740 )

Äußerer Durchmesser d.Kreisrings 0 =102,75

Innerer Durchmesser d.,Iireisrings 0.~ 92,32

1,52658

1,64204 1,72942 1,52658

fj=. f'=1370,22

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? B 'S 11 i 9 7 3""- H1- 'a ^- ^

Claims (1)

1. Erfindüngs ansprüche:

   1. Spiegelinsenobjektiv mit telezentrischem Strahlengang und kreisförmiger Pupille ohne Zentralabschattung, das aus zwei zu einer Symmetrieebene (E) symmetrischen Hälften besteht und zur Abbildung eines in der Objektebene (0) berindlichen Kreisrings (K) im Maßstab 1:1 in eine Bildebene (0^f) dient, dadurch gekennzeichnet, daß. jede der Hälften des Objektivs aus einem Hohlspiegel (A-; Ap) mit einer zentralen Durchbohrung, einem erhabenen Rückspiegel (B-; Bp) und' einem Linsensystem aus mindestens zwei Linsen entgegengesetzter Brechkraft (C. , D^; C₂₅Dp), die sich innerhalb der-Durchbohrung des'Hohlspiegels befinden, aufget

   aut ist.

   Ci«

   Spiegellinsenobjektiv nach Punkt -1 dadurch gekennzeichnet, daß der Wert der Brennweite des halben. Objektivs (f-i·) zwischen 90% und 110% des äußeren Kreisringdurchmessers C0_), das Verhältnis der Radien

   der Spiegelflächen (^-ηί*¹.) zwischen den Werten 1,35 und 1,50 liegt, der Abstand d~ (siehe Pig_e2) zwischen den Spiegelflächen zwischen 24% und 26% vom Radius des Hohlspiegels '(*"*) beträgt und die Brennweite des Lin- : sensystems (ff) 1>8, bis 2 mal größer ist als die Brennweite (f-u·) des halben Objektivs«

   3c Spiegellinsenobjektiv nach Punkt 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennweite des Gesamtsystems (f) größer als das 10~fache, aber kleiner als das 20-fache des äußeren Kreisringdus?chmessers ~(0_a) ist,. und daß sämtliche Linsen des Objektivs in einer ge~ meinsamen Passsung parallel zur optischen Achse des Objektivs gegenüber den feststehenden Spiegeln verschiebbar angeordnet sind* .

   '.' ... 3469

   11 ' - 91'*

   4* Spiegellinsenobjektiv nach Punkt 3 dadurch gekennzeichnet, daß die erhabenen Rückspiegel (B.,; B₂) je an einer planparallelen Platt© aus optischen Glas befestigt sind,

   5» Spiegellinsenobjektiv nach Punkt 4 dadurch ' gekennzeichnet, daß in der Symmetrieebene (E) eine kreisförmige Blende vorgesehen ist, deren Durchmesser veränderbar ist'*

   6. Spiegellinsenob.jektiv nach Punkt 4 gekenn-TO zeichnet durch die Daten des Konstruktionsbeispiels 1«

   . . 7. Spiegellinsenobjektiv nach Punkt 4 gekennzeichnet durch die konstruktiven Daten des Konstruktionsbeispiels 2. .

   8, Spiegellinsenobjektiv nach 'Punkt;· 4 gekenn-' zeichnet durch die konstruktiven Daten des Konstruktionsbeispiels 3

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