DE102013100680A1 - Wellenfrontmanipulator und Optisches System mit einem Wellenfrontmanipulator - Google Patents

Abstract

Es wird ein Wellenfrontmanipulator (1) mit wenigstens einer ersten optischen Komponente (7) und einer zweiten optischen Komponente (9), die entlang einer optischen Achse (OA) hintereinander angeordnet sind, zur Verfügung gestellt. Die erste optische Komponente (7) und die zweite optische Komponente (9) sind relativ zueinander bewegbar angeordnet. Außerdem weisen die erste optische Komponente (7) und die zweite optische Komponente (9) jeweils mindestens eine optischen Fläche auf, die als Freiformfläche (11, 13) mit einem refraktiven oder diffraktiven Freiformprofil ausgebildet ist. Die erste optische Komponente (7) und die zweite optische Komponente (9) sind derart relativ zueinander bewegbar angeordnet, dass sie gegenläufig um eine zur optischen Achse (OA) senkrechte Drehachse (DA) drehbar sind.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wellenfrontmanipulator mit wenigstens einer ersten optischen Komponente und einer zweiten optischen Komponente, die entlang einer optischen Achse hintereinander angeordnet sind. Daneben betrifft die Erfindung ein optisches System mit einem Wellenfrontmanipulator im konvergenten oder divergenten Strahlengang.
• In US 3,305,294 von Luiz W. Alvarez sind optische Elemente mit wenigstens einer ersten optischen Komponente und einer zweiten optischen Komponente, die entlang einer optischen Achse hintereinander angeordnet sind, jeweils eine refraktive Freiformfläche aufweisen und senkrecht zur optischen Achse gegeneinander verschiebbar sind, beschrieben. Durch laterales Verschieben der optischen Komponenten mit den Freiformflächen lässt sich die Brechkraftwirkung eines aus den beiden Komponenten aufgebauten optischen Elements variieren. Derartige optische Elemente werden auch Alvarez-Elemente oder Variolinsen genannt. Eine variable Brechkraft entspricht einer variablen Fokuslage, welche durch eine Änderung des parabolischen Anteils der Wellenfront eines parallel zur Achse einfallenden Strahlbündels beschreibbar ist. In diesem Sinne kann eine Variolinse als ein spezieller Wellenfrontmanipulator angesehen werden.
• Daneben sind aus I. M. Barton et al. „Diffractive Alvarez Lens" Optics Letters 2000 (25), Seiten 1–3 Elemente bekannt, die entlang einer optischen Achse hintereinander angeordnet sind, in Bezug auf die optische Achse lateral gegeneinander verschiebbar sind und diffraktive Flächen aufweisen. Die diffraktive Wirkung eines aus den beiden verschiebbaren Elementen gebildeten optischen Elements hängt dabei von der lateralen Stellung der beiden Elemente zueinander ab.
• Variolinsen, die gemäß der Lehre aus US 3,305,294 bereitgestellt werden können, kommen für zahlreiche Anwendungen in Betracht. Beispiele hierfür sind das Durchführen schneller z-Scans einer Fokuslage zur Erfassung dreidimensionaler Bildinformationen, die dreidimensionale Bildstabilisierung, wie sie bspw. in DE 10 2011 054 087 beschrieben ist, oder die Kompensation einer Defokussierung, die beispielsweise im Bereich der hochaperturigen Mikroskopie bspw. durch Variation einer Deckglasdicke oder durch temperaturbedingte Variation eines Brechungsindex auftreten kann. Daneben gibt es zahlreiche weitere Anwendungen, in denen Variolinsen zur Realisierung einer Zoomfunktionalität eingesetzt werden können, wie etwa Foto- oder Filmkameraobjektive, insbesondere flachbauende Varioobjektive in Kompaktkameras und Mobiltelefonen.
• Die beschriebene Art von Variolinsen eignet sich jedoch in erster Linie für den Einsatz in kollimierten Strahlengängen, also in Strahlengängen mit im Wesentlichen parallelen Strahlenbündeln. In konvergenten oder divergenten Strahlengängen treten dagegen Prinzip bedingt unerwünschte induzierte asymmetrische Bildfehler auf, wobei die Bildfehler umso stärker ausfallen, je größer die Abweichung von der Kollimationsbedingung ist. In der Praxis sind bei hochwertigen optischen Systemen, beispielsweise bei Mikroskopobjektiven, oft bereits wenige Grad an Randstrahlwinkel eines Strahlenbündels in Bezug auf die optische Achse im Hinblick auf die Abbildungsgüte kritisch. In vielen optischen Systemen, in denen der Einsatz der oben beschriebenen Variolinsen wünschenswert wäre, besteht aber kein näherungsweise kollimierter Strahlengang, oder das Bereitstellen eines Zwischenlinsenraumes mit kollimiertem Strahlengang ist mit großem Zusatzaufwand an optischen Elementen und einer Vergrößerung des Bauraums verbunden.
• Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wellenfrontmanipulator bereit zu stellen, der im konvergenten oder divergenten Strahlengang verwendet werden kann und über seinen Einstellungsbereich weitgehend frei von induzierten rotationsunsymmetrischen Aberrationen bleibt. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein optisches System mit einem Wellenfrontmanipulator im konvergenten oder divergenten Strahlengang zur Verfügung zu stellen.
• Die erste Aufgabe wird durch einen Wellenfrontmanipulator nach Anspruch 1 gelöst, die zweite Aufgabe durch ein optisches System nach Anspruch 14. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
• Ein erfindungsgemäßer Wellenfrontmanipulator umfasst wenigstens eine erste optische Komponente und eine zweite optische Komponente, die entlang einer optischen Achse hintereinander angeordnet sind. Die erste optische Komponente und die zweite optische Komponente sind relativ zueinander bewegbar angeordnet und weisen jeweils mindestens eine optischen Fläche auf, die als Freiformfläche mit einem refraktiven oder diffraktiven Freiformprofil ausgebildet ist. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind die erste optische Komponente und die zweite optische Komponente derart relativ zueinander bewegbar angeordnet, dass sie gegenläufig um eine zur optischen Achse senkrechte Drehachse drehbar sind.
• Mit dem erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator ist es möglich, jeden beliebigen Wellenfrontfehler, der durch eine feste vorgegebene funktionale Abhängigkeit von den Pupillenkoordinaten beschrieben ist, zu korrigieren, und zwar jeweils für einen Feldpunkt exakt. Das dazu heranzuziehende Freiformflächenprofil ist in der Drehrichtung näherungsweise durch die Stammfunktion der Pupillenfunktion, also der Funktion, die die Pupillenabhängigkeit des Wellenfrontfehlers beschreibt, gegeben, und in der zur Drehrichtung senkrechten Richtung durch eine zur Pupillenfunktion proportionale Funktion. Wenn ein bestimmter Wellenfrontfehler, der sich durch seine Abhängigkeit von den Pupillenkoordinaten oder alternativ durch Nennung der Zernike-Ordnung eindeutig beschreiben lässt, durch den Wellenfrontmanipulator beeinflusst werden soll, so ist daher das Freiformflächenprofil in Drehrichtung der Elemente näherungsweise proportional zur Stammfunktion dieser Pupillenfunktion, und senkrecht dazu proportional zur Pupillenfunktion selbst zu wählen. Ein Ansatz zum Ermitteln des Freiformflächenprofils kann dabei das Profil einer klassischen Alvarez-Linse, also eines Wellenfrontmanipulators mit lateral gegenläufig linear verschiebbaren optischen Komponenten sein. Aus dem Ansatz kann dann mittels einer Optimierungsrechnung das für den erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator mit gegeneinander drehbaren optischen Komponenten geeignete Freiformflächenprofil in sehr guter Näherung ermittelt werden. Eine mathematische Umformulierung der Lehre von Alvarez in Polarkoordinaten zur Anpassung an die drehbaren optischen Komponenten des erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulators wäre dagegen mathematisch aufwändig.
• Eine Anwendung für den Wellenfrontmanipulator ist bspw. auch dort vorstellbar, wo eine Vario-Grundoptik, die etwa konventionell aus entlang der optischen Achse gegeneinander verschiebbaren Linsengruppen bestehen kann, über einen Verstellbereich veränderliche Werte des Bildfehlers aufweist. Dieser veränderliche Bildfehler kann dann durch einen erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator über den gesamten Verstellbereich hinweg gezielt kompensiert werden. Möglich ist daher bspw. ein Einsatz des Wellenfrontmanipulators als Kompensationsglied in einem fotografischen Zoomobjektiv, in dem dann eine von der Zoomstellung abhängige Kompensation der auftretenden und mit konventionellen Mitteln nicht korrigierbaren Bildfehler stattfindet.
• Wenn die Freiformflächen der optischen Komponenten eine Überlagerung wenigstens zweier Freiformprofile aufweisen, können gleichzeitig verschiedene, in beliebigem fest vorgegebenem Verhältnis zueinander stehende Wellenfrontmanipulationen ausgeführt werden. Bspw. kann die tatsächliche Freiformfläche der optischen Komponenten eine Überlagerung aus einem Freiformprofil zur Änderung der Brechkraft und einem Freiformprofil zur Änderung der Sphärischen Aberration gebildet sein. Eine entsprechende Variolinse variiert bei einer gegenläufigen Bewegung der optischen Komponenten gegeneinander eine Brechkraftwirkung und ändert gleichzeitig eine Sphärische Aberration, wobei beide Änderungen mit einem beliebig aber fest vorzuwählenden Proportionalitätsfaktor proportional zueinander sind.
• Gemäß einer Weiterbildung des Wellenfrontmanipulators ist sowohl die Vorderseite als auch die Rückseite einer optischen Komponente mit einer refraktiven Freiformfläche versehen. Diese Weiterbildung ermöglicht es Wellenfrontmanipulatoren mit kleineren Profiltiefen zur Verfügung zu stellen. Eine Aufteilung der gewünschten Wirkung auf zwei oder mehr Freiformprofile erlaubt es generell, geringere Profiltiefen vorzusehen. Wenn die Profiltiefen dabei in einen Bereich von unter 30 Mikrometer gelangen, sind bei der Herstellung der Freiformflächen andere Abtragungsverfahren als bei sehr tiefen Profilformen einsetzbar, bspw. lithografische Verfahren wie etwa die Grautonlithografie. Außerdem bleiben Rauheit und Tiefenschädigung bei einem Schleifprozess umso geringer, je kleiner der Abtrag ist.
• Dadurch, dass die aus dem Stand der Technik bekannte laterale Verschiebbarkeit der Freiformelemente relativ zueinander durch eine gegenläufige Rotationsbewegung der optischen Komponenten um eine zur optischen Achse des Wellenfrontmanipulators senkrecht verlaufende Drehachse ersetzt wird, kann der Wellenfrontmanipulator in einem konvergenten oder divergenten Strahlengang zum Einsatz kommen, wobei die Wellenfrontmanipulation über ihren gesamten Einstellbereich weitgehend frei von induzierten rotationsunsymmetrischen Aberrationen bleibt. Es hat sich gezeigt, dass eine Anordnung mit gegenläufig um eine zur optischen Achse senkrechte Achse drehbaren Freiformflächen im konvergenten oder divergenten Strahlengang eine erhebliche Reduktion der induzierten Bildfehler im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Anordnungen mit translatorisch bewegten Freiformelementen ermöglicht.
• Generell basiert die Grundidee des erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulators darauf, dass man zunächst ein optisches Nullelement einfügt, das im konvergenten/divergenten Strahlengang ein Meniskuselement ist. Anschließend wird das Meniskuselement gedanklich entlang einer Freiformfläche aufgetrennt, so dass die beiden Teilelemente rotatorisch gegeneinander bewegt werden können. Dabei wird der Wellenfrontmanipulator derart relativ zum Strahlenbündel angeordnet, dass die Drehachse, um die die Drehbewegung der optischen Komponenten relativ zueinander erfolgt, dem Wellenfrontmanipulator in Richtung auf das Zentrum des divergenten oder konvergenten Strahlenbündels vor bzw. nachgelagert ist. Die induzierten Bildfehler, die bei den verschiedenen gegeneinander bewegten Stellungen der Freiformflächen entstehen, sind dabei grob gesprochen dadurch reduziert, dass die Einfallswinkel der Strahlenbündel an den Freiformflächen im Vergleich zu Freiformflächen mit einer planen Grundstruktur und linearer Verschiebung generell reduziert sind.
• In einer bevorzugten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulators weisen die optischen Flächen der ersten optischen Komponente und der zweiten optischen Komponente daher jeweils eine Grundkrümmung auf. Die Freiformflächen sind dann durch den Grundkrümmungen überlagerte Freiformprofile gebildet. Insbesondere können die erste optische Komponente und die zweite optische Komponente dabei meniskusförmig ausgebildet sein. Durch das Versehen der optischen Flächen mit einer Grundkrümmung, insbesondere einer sphärischen Grundkrümmung, kann der Einfallswinkel der Strahlen eines divergenten oder konvergenten Strahlenbündels auf die optischen Flächen im Mittel minimiert werden. In einer Weiterbildung dieser Ausführungsvariante können optische Flächen, die entlang der optischen Achse hintereinander angeordnet sind, Grundkrümmungen mit zu- oder abnehmenden Krümmungsradien aufweisen. Die Freiformprofile von Freiformflächen an optischen Flächen mit größeren Krümmungsradien sind dann gegenüber den Freiformprofilen von Freiformflächen an optischen Flächen mit kleineren Krümmungsradien in Ausdehnungsrichtung der optischen Fläche um einen Skalierungsfaktor gestreckt. Alternativ können jedoch auch die Freiformprofile von Freiformflächen an optischen Flächen mit kleineren Krümmungsradien gegenüber den Freiformprofilen von Freiformflächen an optischen Flächen mit größeren Krümmungsradien gestaucht sein, wobei beide Betrachtungsweisen im Wesentlichen gleichwertig sind. Durch das Strecken bzw. Stauchen um einen Skalierungsfaktor kann die Änderung des radialen Abstandes des Strahlendurchstoßpunktes durch die jeweilige optische Fläche kompensiert werden. Der Skalierungsfaktor ist dabei durch das Verhältnis der Randstrahleneinfallshöhen an den betrachteten Flächen gegeben.
• In der Ausgestaltung, in der die optischen Flächen Grundkrümmungen aufweisen, können diese Grundkrümmungen solche Krümmungsradien aufweisen, dass ihre Krümmungsmittelpunkte mit dem axialen Objektpunkt oder dem axialen Bildpunkt zusammenfallen. Mit dem axialen Objektpunkt können die Krümmungsradien insbesondere dann zusammenfallen, wenn der Wellenfrontmanipulator das erste optisch wirksame Element in einem optischen System ist. Mit dem axialen Bildpunkt können sie insbesondere dann zusammenfallen, wenn der Wellenfrontmanipulator das letzte optisch wirksame Element in dem optischen System ist. Insbesondere kann dabei die Drehachse durch den axialen Objektpunkt oder den axialen Bildpunkt verlaufen.
• Im erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator kann zusätzlich zu der ersten optischen Komponente und der zweiten optischen Komponente wenigstens eine der zweiten optischen Komponente entlang der optischen Achse nachgeordnete dritte optische Komponente vorhanden sein. Die dritte optische Komponente ist dann derart angeordnet, dass sie sich bei einer Drehung der optischen Komponenten um die Drehachse zusammen mit der ersten optischen Komponente in dieselbe Richtung wie die erste optische Komponente dreht. Auf diese Weise entsteht in einem Wellenfrontmanipulator mit drei optischen Komponenten eine gegenläufige Bewegung zwischen der inneren optischen Komponente und den beiden äußeren optischen Komponenten. Im allgemeinen Fall können bei einer geraden Anzahl N optischer Komponenten N/2 optische Komponenten in der einen Richtung und die übrigen N/2 optischen Komponenten in die gegenläufige Richtung gedreht werden. Bei einer ungeraden Anzahl N optischer Komponenten können (N + 1)/2 optische Komponenten in der einen Richtung und die übrigen (N – 1)/2 optischen Komponenten in die gegenläufige Richtung gedreht werden.
• In einem Wellenfrontmanipulator mit drei optischen Komponenten können die optischen Komponenten an ihren einander zugewandten optischen Flächen mit Freiformprofilen versehen sein, wobei die Freiformprofile der einander zugewandten optischen Flächen der ersten optischen Komponente und der zweiten optischen Komponente identisch sind. Entsprechend sind die Freiformprofile der einander zugewandten optischen Flächen der zweiten optischen Komponente und der dritten optischen Komponente identisch. Dagegen sind die zueinander identischen Freiformprofile der ersten und der zweiten optischen Komponente komplementär zu den zueinander identischen Freiformprofilen der zweiten und der dritten optischen Komponente ausgebildet. Durch diese Ausgestaltung lassen sich die induzierten Aberrationen praktisch vollständig vermeiden.
• In einer speziellen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulators befindet sich zwischen zwei der optischen Komponenten ein die beiden Komponenten kontaktierendes Immersionsmedium. Als Immersionsmedium kommen insbesondere Flüssigkeiten, etwa hochreines Wasser, Salzlösungen, Immersionsöle, etc. und elastische Optokitte in Betracht. Insbesondere die Optokitte weisen eine hohe Licht- und Alterungsbeständigkeit auf. Zudem entfällt bei Optokitten die Notwendigkeit einer Flüssigkeitsversiegelung des Wellenfrontmanipulators.
• Durch geeignetes Anpassen des Brechungsindex und der Abbeschen Zahl des Immersionsmediums an den Brechungsindex und die Abbesche Zahl des Materials, aus dem die optischen Elemente hergestellt sind, lässt sich eine variabel einstellbare Wellenfrontmanipulation erreichen, deren Wirkung über einen ausgedehnten Wellenlängenbereich hinweg unabhängig von der Wellenlänge ist, so dass der erfindungsgemäße Wellenfrontmanipulator als achromatischer Wellenfrontmanipulator eingesetzt werden kann. Mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Wellenfrontmanipulators lassen sich daher Farbfehler, insbesondere der Farblängsfehler, beim Variieren der Wellenfront weitgehend vermeiden. Beispielsweise stellt er in einer möglichen Anwendung eine geeignete Lösung für die eingangs beschriebene Problematik der Kompensation von Dicken- und Indexschwankungen bei der Mikroskopie mit hochaperturigen Objektiven zur Verfügung. Darüber hinaus besitzt der Wellenfrontmanipulator mit Immersionsmedium ein breites Einsatzgebiet in der Korrektur von primären und sekundären Farbfehlern, das über den bloßen Einsatz als achromatische Variolinse hinausgeht. Er kann in einer Ausgestaltung achromatisch eine variable parabolische Phasenwirkung, d. h. eine variable optische Brechkraft, bereitstellen. In einer anderen Ausgestaltung ermöglicht er eine gezielte achromatische Beeinflussung höherer Fehlerordnungen der Wellenfront, etwa zur gezielten Beeinflussung von Sphärischer Aberration, Koma oder Astigmatismus.
• Wenn als Immersionsmedium ein Optokitt Verwendung findet, in dem zu große Bewegungen störende Spannungen induzieren könnten, ist es vorteilhaft, wenn die erste optische Komponente und die zweite optische Komponente in Bewegungsrichtung jeweils um eine Strecke von maximal 50 μm bewegbar sind. Die maximal mögliche Strecke, über die die Komponenten bewegt werden können, ohne störende Spannungen zu induzieren, hängt dabei insbesondere vom Schubmodul des verwendeten Optokitts ab. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die erste optische Komponente und die zweite optische Komponente jeweils um eine Strecke von maximal 20 μm, insbesondere von maximal 10 μm, bewegbar sind, da dadurch die Zahl der nutzbaren Optokitte steigt. Bei Verwendung einer Immersionsflüssigkeit als Immersionsmedium sind aber auch Bewegungen im Millimeterbereich möglich.
• Ein näherungsweise achromatischer Wellenfrontmanipulator, also ein Wellenfrontmanipulator, mit dem eine Wellenfrontmanipulation im Wesentlichen ohne Farbfehler herbeiführt werden kann, lässt sich bspw. erhalten, wenn die erste optische Komponente und die zweite optische Komponente aus demselben Material bestehen und das Material der optischen Komponenten und das Immersionsmedium die folgende Bedingung erfüllen:

  
• Dabei bezeichnen n_i und ν₁ den Brechungsindex bzw. die Abbesche Zahl des Materials der optischen Komponenten und n₂ und ν₂ den Brechungsindex bzw. die Abbesche Zahl des Immersionsmediums. Das Erfüllen der oben genannten Ungleichung führt zu einem zumindest näherungsweise achromatischen Wellenfrontmanipulator mit verringerten Farbfehlern, was in einigen Anwendungsfällen bereits als ausreichend erachtet werden kann. Um eine für eine große Anzahl von Anwendungsfällen brauchbare Achromatisierung zu erhalten, ist es jedoch vorteilhaft, wenn die strengere Ungleichung

  

  erfüllt ist. Wenn ein besonders hochwertiger achromatischer Wellenfrontmanipulator geschaffen werden soll, sollte die noch strengere Ungleichung

  

  erfüllt sein.
• Der beschriebene achromatische Wellenfrontmanipulator kann insbesondere als achromatische Linse mit variabler Brechkraft, also als achromatische Variolinse, ausgestaltet sein, wenn die Freiformflächen der optischen Elemente zum Beeinflussen des parabolischen Anteils der Wellenfront ausgelegt sind. Durch geeignete Wahl der Form der Freiformflächen kann aber auch jede beliebige Wellenfrontmanipulation bei der Grundwellenlänge herbeigeführt werden, ohne nennenswerte Farbfehler zu generieren. Der Grad, bis zu dem Farbfehler vermieden werden, hängt dabei davon ab, wie groß die in der obigen Ungleichung einzuhaltenden Grenzen gewählt sind.
• Mit einem erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator lässt sich ein Farbfehler, insbesondere der Farblängsfehler, aber nicht nur gezielt auf Null setzen, um eine Achromatisierung zu erreichen, sondern der Wellenfrontmanipulator kann bei anderer Wahl der optischen Medien beispielsweise auch so ausgebildet werden, dass ein definierter Farbfehler für Rand- oder Nebenwellenlängen des transmittierten Wellenlängenbereiches generiert wird. Ohne weitere Maßnahmen wird dabei in der Regel gleichzeitig eine definierte Brechkraftänderung, also eine definierte Defokussierung, für eine mittlere Wellenlänge des transmittierten Wellenlängenbereiches herbeigeführt. In manchen Anwendungsfällen kann dies hingenommen werden. Häufig ist es jedoch wünschenswert, einen definierten Farbfehler für Rand- oder Nebenwellenlängen des transmittierten Wellenlängenbereiches zu generieren, ohne dabei für die mittlere Wellenlänge einen Defokus herbeizuführen. Dies ist mit einem erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator möglich, in dem die erste optische Komponente und die zweite optische Komponente aus demselben Material bestehen und das Material der optischen Komponenten und das Immersionsmedium die folgenden Bedingungen erfüllen: |n₁ – n₂| ≤ 0,05 |ν₁ – ν₂| ≥ 5
• Dabei bezeichnen n₁ und ν₁ den Brechungsindex bzw. die Abbesche Zahl des Materials der optischen Komponenten und n₂ und ν₂ den Brechungsindex bzw. die Abbesche Zahl des Immersionsmediums. Ein Wellenfrontmanipulator, der die genannten Ungleichungen erfüllt, stellt einen Wellenfrontmanipulator zum gezielten Beeinflussen der chromatischen Variation des Wellenfronteingriffs dar.
• Je geringer der Unterschied zwischen dem Brechungsindex n₁ des Materials der optischen Komponenten und dem Brechungsindex n₂ des Immersionsmediums ausfällt (im Idealfall ist n₁ = n₂), desto weniger ändert sich die Fokuslage bei der mittleren Wellenlänge bei Einstellung eines vorgegebenen Farbfehlers. Je mehr sich hierbei die Dispersionseigenschaften beschreibende Abbezahl ν₁ des Materials der optischen Komponenten von der Abbezahl ν₂ des Immersionsmediums unterscheidet, desto kleiner können die Drehbewegungen und desto flacher können die Freiformprofile, die zur Erzielung einer vorgegebenen chromatischen Variation des Elements nötig sind, ausfallen. Es ist daher vorteilhaft, wenn statt der obigen Bedingung die strengere Bedingung |n₁ – n₂| ≤ 0,01 |ν₁ – ν₂| ≥ 10 erfüllt ist. Besonders vorteilhaft ist es, wen die noch strengere Bedingung |n₁ – n₂| ≤ 0,002 |ν₁ – ν₂| ≥ 15 erfüllt ist.
• In dem beschriebenen Wellenfrontmanipulator zum gezielten Beeinflussen der chromatischen Variation des Wellenfronteingriffs kann das Material der optischen Komponenten bspw. Glas, kristallines Material oder Kunststoff sein. Als Immersionsmedium kommt bspw. ein organischer Kohlenwasserstoff, Wasser oder eine wässrige Lösung in Betracht. In einem Beispiel für eine Materialkombination ist das Material der optischen Komponenten Kunststoff, das Immersionsmedium eine mit Alkali-Ionen dotierte wässrige Lösung oder eine Salzlösung.
• Der Wellenfrontmanipulator mit Immersionsmedium ist nicht nur im sichtbaren Spektralbereich einsetzbar, sondern auch im UV-Spektralbereich. Hierfür kann als Material der optischen Komponenten bspw. Quarzglas oder ein kristallines Material gewählt sein. Als Immersionsmedium kommt dann insbesondere hochreines Wasser in Betracht.
• In einer anderen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulators kann der refraktiven Freiformfläche der ersten Komponente eine erste diffraktive Struktur und der refraktiven Freiformfläche der zweiten Komponente eine zweite diffraktive Struktur zugeordnet sein. Die zugeordneten diffraktiven Strukturen können dann dazu genutzt werden, einen wellenlängenabhängigen Effekt der jeweiligen refraktiven Freiformfläche zu bewirken. Wenn zudem ein geeignet gewähltes Immersionsmedium vorhanden ist, kann dann eine weitgehende Unabhängigkeit der Beugungseffizienz der diffraktiven Struktur von der Wellenlänge herbeigeführt werden, so dass man ein sog. effizienz-achromatisiertes diffraktives optisches Element (EA-DOE) erhält. Die Unabhängigkeit der Beugungseffizienz von der Wellenlänge wird insbesondere dann erhalten, wenn die erste optische Komponente und die zweite optische Komponente aus demselben Material bestehen, das Material der optischen Komponenten und des Immersionsmediums Brechungsindizes aufweisen, deren Differenz eine lineare Funktion der Wellenlänge ist, und das Material/Medium mit dem niedrigeren Brechungsindex eine höhere Dispersion aufweist als das Material/Medium mit dem höheren Brechungsindex.
• Die Form einer refraktiven Freiformfläche kann jeweils durch eine Polynomentwicklung beschrieben sein, die in endlich vielen bestimmten Polynomordungen von Null verschiedene Entwicklungskoeffizienten aufweist. Die einer refraktiven Freiformfläche zugehörige diffraktive Struktur wird dann durch eine Polynomentwicklung beschrieben, die in denselben Polynomordnungen wie die Polynomentwicklung der refraktiven Freiformfläche von Null verschiedene Entwicklungskoeffizienten aufweist. Diejenigen Entwicklungskoeffizienten einer eine refraktive Freiformfläche beschreibenden Polynomentwicklung und der die zugehörige diffraktive Struktur beschreibenden Polynomentwicklung, welche jeweils derselben Polynomordnung zugeordnet sind, stehen dabei in einem festen funktionalen Zusammenhang zueinander. Dabei können die jeweils derselben Polynomordnung zugeordneten Entwicklungskoeffizienten einer eine refraktive Freiformfläche beschreibenden Polynomentwicklung und der die zugehörige diffraktive Struktur beschreibenden Polynomentwicklung insbesondere in einem linearen funktionalen Zusammenhang stehen. Der funktionale Zusammenhang kann insbesondere von dem in der jeweiligen optischen Komponente verwendeten Material, d. h. von dessen Dispersion, abhängen. Insbesondere kann hierbei ein gleicher funktionaler Zusammenhang für alle Polynomordnungen mit von Null verschiedenen Koeffizienten vorliegen.
• Die Polynome der ersten und der zweiten Polynomentwicklung können jeweils von zwei Variablen anhängen, die verschiedene Richtungen auf der optischen Fläche des optischen Elements repräsentieren. Dabei können die beiden Richtungen senkrecht aufeinander stehen, wobei die eine Richtung der Bewegungsrichtung der optischen Komponenten entspricht und wobei die eine refraktive Freiformfläche beschreibende Polynomentwicklung und die die zugehörige diffraktive Struktur beschreibende Polynomentwicklung jeweils nur ungerade Polynomordnungen in derjenigen Variablen aufweisen, welche die Bewegungsrichtung der optischen Komponenten repräsentiert.
• Die eine refraktive Freiformfläche beschreibende Polynomentwicklung und die die zugehörige diffraktive Struktur beschreibende Polynomentwicklung brauchen dann jeweils nur gerade Polynomordnungen in derjenigen Variablen aufzuweisen, welche die zur Bewegungsrichtung der optischen Komponenten senkrechte Richtung repräsentiert.
• Weitere Einzelheiten zur Konstruktion der diffraktiven Flächen und zur Anwendung von mit diffraktiven Strukturen und Freiformflächen versehenen optischen Elementen sind in DE 10 2011 055 777 beschrieben, auf die hinsichtlich dieser Aspekte verwiesen wird.
• Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein optisches System mit einem Wellenfrontmanipulator zur Verfügung gestellt. Als Wellenfrontmanipulator ist dabei ein erfindungsgemäßer Wellenfrontmanipulator vorhanden, der sich im konvergenten oder divergenten Strahlengang befindet. In dem erfindungsgemäßen optischen System können daher die mit Bezug auf den erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator beschriebenen Wirkungen und Vorteile realisiert werden.
• Das erfindungsgemäße optische System kann bspw. ein optisches Beobachtungsgerät wie etwa ein Teleskop, eine Kamera, ein Mikroskop, insbesondere ein Operationsmikroskop, etc. oder ein anderes optisches Gerät wie bspw. ein optisches Messgerät sein. Das erfindungsgemäße optische System kann jedoch eine Komponente eines optischen Gerätes sein wie etwa ein Objektiv.
• In dem erfindungsgemäßen optischen System kann der Wellenfrontmanipulator insbesondere als das objektseitig führende optisch wirksame Element dienen, wobei die optischen Flächen des Wellenfrontmanipulators Grundkrümmungen mit solchen Krümmungsradien aufweisen, dass ihre Krümmungsmittelpunkte mit dem axialen Objektpunkt zusammenfallen. Der erfindungsgemäße Wellenfrontmanipulator kann aber auch das bildseitig abschließende optisch wirksame Element sein, wobei die optischen Flächen des Wellenfrontmanipulators Grundkrümmungen mit solchen Krümmungsradien aufweisen, dass ihre Krümmungsmittelpunkte mit dem axialen Bildpunkt zusammenfallen.
• In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen optischen Systems ist eine Systempupille vorhanden, die im oder unmittelbar angrenzend an den Wellenfrontmanipulator angeordnet ist.
• Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren.
• 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator mit seinen optischen Elementen in einer ersten Relativposition.
• 2 zeigt den Wellenfrontmanipulator aus 1 mit seinen optischen Elementen in einer zweiten Relativposition.
• 3 zeigt den Wellenfrontmanipulator aus 1 mit seinen optischen Elementen in einer dritten Relativposition.
• 4 zeigt eine Vergleichsoptik ohne Wellenfrontmanipulator.
• 5 zeigt die Abbildungsfehler der Vergleichsoptik aus 4.
• Die 6 bis 10 zeigen die Vergleichsoptik aus 4, jedoch mit einem Wellenfrontmanipulator nach Stand der Technik und den optischen Komponenten des Wellenfrontmanipulators in verschiedenen Relativpositionen.
• Die 11 bis 15 zeigen die Abbildungsfehler für die in den 6 bis 10 dargestellten Relativpositionen der optischen Komponenten des Wellenfrontmanipulators.
• Die 16 bis 20 zeigen die Vergleichsoptik aus 4, jedoch mit einem erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator und den optischen Komponenten des Wellenfrontmanipulators in verschiedenen Relativpositionen.
• Die 21 bis 25 zeigen die Abbildungsfehler bei den in den 16 bis 20 dargestellten Relativpositionen der optischen Komponenten des erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulators.
• 26 zeigt die optischen Komponenten eines Mikroskops, das einen erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator aufweist, in einer schematischen Darstellung.
• Die 27 bis 29 zeigen das Objektiv des Mikroskops aus 26 mit den optischen Komponenten des Wellenfrontmanipulators in verschiedenen Relativpositionen.
• Die 30 bis 32 zeigen die Abbildungsfehler bei verschiedenen Wellenlängen für die in den 27 bis 29 gezeigten Relativpositionen der optischen Komponenten des Wellenfrontmanipulators.
• 33 zeigt eine Tabelle mit den Konstruktionsdaten des Objektivs aus den 27 bis 29.
• Die 34 bis 36 zeigen ein Varioskopobjektiv mit einem erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator bei verschiedenen Relativpositionen seiner optischen Komponenten.
• 37 zeigt die Lagen von Haupt- und Mitbeobachterpupillen in der Varioskopoptik aus den 34 bis 36.
• 38 zeigt ein Ausführungsbeispiel für den erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator, in dem die optischen Komponenten mit diffraktiven Strukturen versehen sind.
• 39 zeigt ein Ausführungsbeispiel für den erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator, in dem ein Immersionsmedium zwischen den optischen Komponenten des Wellenfrontmanipulators vorhanden ist.
• Der grundsätzliche Aufbau des erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulators wird nachfolgend mit Bezug auf die 1 bis 3 erläutert, die schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel für den Wellenfrontmanipulator darstellen.
• Der erfindungsgemäße Wellenfrontmanipulator 1 weist im ersten Ausführungsbeispiel zwei optische Komponenten 3, 5 auf, die entlang einer optischen Achse OA derart hintereinander angeordnet sind, dass sie um eine die optische Achse OA senkrecht schneidende Drehachse DA gegenläufig gedreht werden können. 2 zeigt dabei eine Drehstellung der optischen Komponenten 3, 5, in der die in der Figur links dargestellte optische Komponente 3 gegen den Uhrzeigersinn um die Drehachse DA gedreht ist. Die in der Figur rechts dargestellte optische Komponente 5 ist um denselben Winkel wie die linke optische Komponente 3 um die Drehachse DA gedreht, jedoch im Uhrzeigersinn. 3 zeigt den Wellenfrontmanipulator aus 1 in einem Zustand, in dem die linke optische Komponente 3 im Uhrzeigersinn um die Drehachse DA gedreht ist und die rechte optische Komponente 5 um denselben Winkel entgegen dem Uhrzeigersinn.
• Jede der beiden optischen Komponenten 3, 5 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine meniskusförmige Grundstruktur auf, d. h. sie weisen jeweils eine konkave und eine konvexe optische Fläche mit sphärischen Grundkrümmungen auf. Die beiden äußeren optischen Flächen 7, 9 des Wellenfrontmanipulators 1 weisen im vorliegenden Ausführungsbeispiel lediglich die Grundkrümmung auf. Bei den beiden inneren optischen Flächen, also den einander zugewandten optischen Flächen der optischen Komponenten 3, 5, ist der sphärischen Grundkrümmung dagegen ein refraktives Freiformprofil überlagert, so dass diese Flächen als refraktive Freiformflächen ausgebildet sind. Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass die Abweichung von der Grundkrümmung in den 1 bis 3 übertrieben dargestellt ist, um die Freiformflächen 11, 13 besser kenntlich zu machen.
• Durch gegenläufiges Drehen der optischen Komponenten 3, 5 um die Drehachse DA kann der Luftspalt zwischen den Freiformflächen 11, 13 variiert werden, wodurch sich die Wellenfrontmanipulation erreichen lässt.
• Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass die Drehachse DA in den 1 bis 3 senkrecht zur Darstellungsebene verläuft. Sie kann jedoch auch jede andere Orientierung zur optischen Achse annehmen, solange sie senkrecht auf der optischen Achse steht. Beispielsweise könnte sie ebenso gut in der Darstellungsebene der Figuren liegen. In diesem Fall würde eine Drehung der optischen Komponenten aus der Zeichenebene hinaus verlaufen.
• Der Wellenfrontmanipulator 1 ist an den Einsatz im divergenten Strahlengang angepasst. Dies ist in den 1 bis 3 durch ein divergentes Strahlenbündel SB angedeutet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel fällt das Zentrum des divergenten Strahlenbündels SB mit dem Schnittpunkt zwischen der Drehachse DA und der optischen Achse OA zusammen. Wenn das Zentrum des Strahlenbündels SB bei einem Objektpunkt liegt und der Wellenfrontmanipulator 1 das erste optische wirksame Element eines optischen Systems ist, ist es vorteilhaft, wenn der Krümmungsradius der Grundkrümmung so gewählt ist, dass der Krümmungsmittelpunkt wenigstens näherungsweise mit dem axialen Objektpunkt zusammenfällt. Falls das Zentrum des Strahlenbündels SB bei einem Bildpunkt liegt und der Wellenfrontmanipulator 1 das letzte optisch wirksame Element eines optischen Systems ist, ist es vorteilhaft, wenn der Krümmungsradius der Grundkrümmung so gewählt ist, dass der Krümmungsmittelpunkt wenigstens näherungsweise mit dem axialen Bildpunkt zusammenfällt. In beiden Fällen kann damit im Mittel ein minimaler Einfallswinkel auf die optischen Flächen realisiert werden. Aber auch wenn der Wellenfrontmanipulator weder das erste optisch wirksame Element, noch das zweite optisch wirksame Element eines optischen Systems ist, ist es vorteilhaft, wenn die Krümmungsradien so gewählt werden, dass die Einfallswinkel auf die optischen Flächen im Mittel minimiert werden.
• Die Radien der Grundkrümmungen der optischen Komponenten 3, 5 können zum Ausgleich der unterschiedlichen Einfallshöhen der Strahlen des Strahlenbündels leicht unterschiedlich ausgebildet sein. Dabei würden die Krümmungsradien mit zunehmendem Abstand vom Zentrum des Strahlenbündels größer werden, so dass die Krümmungsmittelpunkte der Grundkrümmungen aller optischen Flächen zusammenfallen können. Je kleiner die radiale Ausdehnung des Wellenfrontmanipulators 1 im Verhältnis zu den Krümmungsradien der Grundkrümmungen ist, desto geringer werden die Unterscheide in den Einfallshöhen der Strahlen an den einzelnen optisch wirksamen Flächen. Wenn der Wellenfrontmanipulator 1 eine gegenüber den Krümmungsradien geringe radiale Ausdehnung aufweist, kann daher mit gleichen Krümmungsradien bei allen optisch wirksamen Flächen gearbeitet werden, da die dadurch verursachten Abstände zwischen den Krümmungsmittelpunkten dann vernachlässigbar sind. Wenn die optisch wirksamen Flächen unterschiedliche Krümmungsradien aufweisen, ist es vorteilhaft, wenn die Freiformprofile 11, 13 mittels eines Skalierungsfaktors gestreckt oder gestaucht werden. Der Skalierungsfaktor ist dabei durch das Verhältnis der Einfallshöhen der Randstrahlen an den jeweiligen Flächen gegeben.
• Obwohl im vorliegenden Ausführungsbeispiel refraktive Freiformflächen 11, 13 zur Anwendung kommen, die aus einer Überlagerung der Grundkrümmung der jeweiligen optischen Fläche durch ein Freiformprofil generiert sind, können statt der refraktiven Freiformflächen auch diffraktive Freiformflächen Verwendung finden. In diesem Fall wären den Grundkrümmungen der entsprechend optisch wirksamen Flächen diffraktive Profile überlagert. Als weitere Option besteht auch die Möglichkeit, die optischen Komponenten 3, 5 jeweils sowohl mit einer refraktiven Freiformfläche als auch mit einer diffraktiven Fläche zu versehen. Dies wird später mit Bezug auf 38 noch näher erläutert werden.
• Die Form der refraktiven Freiformflächen 11, 13 ist so gewählt, dass sie sich in einer Null-Position (in 1 dargestellt) komplementär zueinander verhalten, d. h. die beiden optischen Komponenten entsprechen in dieser Stellung meniskusförmigen Elementen, welche lediglich die Grundkrümmungen aufweisen, so dass der Wellenfrontmanipulator in dieser Stellung als optisches Nullelement im konvergenten oder divergenten Strahlengang fungiert.
• Mit dem Wellenfrontmanipulator können definierte Bildfehler induziert werden, welche Bildfehler aufheben, die durch externe Bedingungen in einem optischen System generiert werden, etwa durch Variationen in der Fokuslage oder durch Temperaturvariationen. Das Erzeugen eines definierten Bildfehlers erfolgt durch Manipulieren der Wellenfront des Strahlenbündels. Die Wellenfront eines Strahlenbündels ist dabei durch die Punkte der elektromagnetischen Welle, welche dieselbe Phase haben, gegeben. Mathematisch kann die Wellenfront durch eine Überlagerung von Funktionen eines vollständigen Funktionensystems angesehen werden. Typischerweise werden Zernike-Polynome als Funktionen verwendet, wobei die einzelnen Zernike-Polynome verschiedene Bildfehler repräsentieren. In der Darstellung der Wellenfront ist dabei jedem Zernike-Polynom ein Zernike-Koeffizient zugeordnet, wobei die Wellenfront durch die Zernike-Koeffizienten repräsentiert ist. Die Freiformflächen 11, 13 der optischen Komponenten 3, 5 des Wellenfrontmanipulators 1 können so gewählt werden, dass sie eine Manipulation der Wellenfront generieren, welche sich durch ein Zernike-Polynom beschreiben lässt. Der zugehörige Zernike-Koeffizient ist durch den Betrag der Relativbewegung der beiden optischen Komponenten 1, 5 bestimmt. Eine mathematische äquivalente Beschreibung lässt sich auch mit der Entwicklung nach anderen vollständigen Funktionensystemen erreichen, etwa durch eine Taylorentwicklung. Nachfolgend werden die Grundprinzipien zum Konstruieren der Freiformprofile anhand einer Taylorentwicklung dargelegt.
• Die Freiformfläche kann bei expliziter Flächendarstellung in der Form z(x, y) durch ein Polynom beschrieben werden, das in einer zur Bewegungsrichtung der optischen Komponenten 3, 5 senkrechten Koordinate x nur gerade Potenzen von x aufweist und in einer zur Bewegungsrichtung parallelen Koordinate y nur ungerade Potenzen von y aufweist. Die zur Bewegungsrichtung senkrechte Koordinatenachse verläuft hierbei parallel zur Drehachse der optischen Komponenten, die zur Bewegungsrichtung parallele Koordinatenachse verläuft in der Umfangsrichtung, in der die Drehung erfolgt. Hierbei bezeichnen x, y und z die drei kartesischen Koordinaten eines auf der Fläche liegenden Punktes im lokalen flächenbezogenen Koordinatensystem.
• Ein Ausgangspunkt zum Ermitteln des Freiformflächenprofils kann dabei das Profil einer klassischen Alvarez-Linse, also eines Wellenfrontmanipulators mit lateral gegenläufig linear verschiebbaren optischen Komponenten sein. Die Freiformfläche z(x, y) kann dann zunächst allgemein beispielsweise durch eine Polynomentwicklung der Form

  

  beschrieben werden, wobei C_m,n den Entwicklungskoeffizienten der Polynomentwicklung der Freiformfläche in der Ordnung m bzgl. der x-Koordinate und der Ordnung n bzgl. der y-Koordinate darstellt. Die Koordinaten x und y sind hierbei als dimensionslose Maßzahlen in sog. Lens Units in die Formel einzusetzen. Lens Units bedeutet hierbei, dass alle Längen zunächst als dimensionslose Zahlen angegeben und später so interpretiert werden, dass sie durchgehend mit derselben Maßeinheit (nm, μm, mm, m) multipliziert werden. Hintergrund ist, dass die Geometrische Optik skaleninvariant ist, und im Gegensatz zur Wellenoptik nicht über eine natürliche Längeneinheit verfügt.
• Die Polynomentwicklung aus Gleichung (1) wird dem Profil der sphärischen Grundkrümmung der optischen Flächen überlagert, so dass man die folgende Scheitelpunkfform der Flächengleichung erhält:

  
• Gemäß der grundlegenden Lehre von Alvarez ist das Profil z(x, y) einer Fläche des Alvarez-Flächenpaares zur Erzeugung einer gewünschten Wellenfrontänderungswirkung ΔW(x, y) so zu wählen, dass es proportional zu ΔW in einer Richtung parallel zur Drehachse und proportional zu einer Stammfunktion von ΔW in der Richtung senkrecht zur Drehachse und senkrecht zur optischen Achse ausgebildet ist.
• Gleichung (2) lässt sich als ein Ansatz für ein Freiformflächenprofil zur Lösung einer bestimmten Aufgabe verwenden. Im Weiteren kann dieser Ansatz dann mittels einer Optimierungsrechnung zur endgültigen Auslegung der Freiformflächen des erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulators optimiert werden, wodurch geeignete Freiformflächenprofile in sehr guter Näherung ermittelt werden. Im optimierten Wellenfrontmanipulator stellen die Richtungen x und y dann orthogonale Richtungen auf einer Kugeloberfläche dar. Diese Vorgehensweise funktioniert umso besser, je größer das Verhältnis von Krümmungsradius der Grundkrümmungen zur Länge des Kreisbogens, entlang dem die gegenläufige Bewegung der optischen Elemente erfolgt, ist, da die Kreisbewegung dann umso besser durch eine lineare Bewegung angenähert werden kann.
• Nachfolgend werden beispielhaft einige konkrete Ausgestaltungen der Formel (1) als Ausgangspunkte zum Ermitteln von Freiformflächenprofilen für bestimmte Wellenfrontmanipulationen kurz beschrieben:
  Eine reine Defokussierungswirkung lässt sich gemäß der Lehre von Alvarez bewirken, wenn die Freiformfläche der optischen Komponenten 3, 5 durch folgendes Polynom 3. Ordnung beschrieben werden kann:

  
• Hierbei ist angenommen, dass die Bewegung der optischen Komponenten 3, 5 entlang der y-Achse erfolgt, die dadurch definiert wird. Falls die Bewegung entlang der x-Achse erfolgen soll, ist in obiger Gleichung entsprechend die Rolle von x und y zu tauschen. Der Parameter K skaliert quasi die Profiltiefe und legt auf diese Weise die erzielbare Brechkraftänderung pro Einheit des Bewegungsweges fest.
• Zur Minimierung der Mittendicke des Elementes kann ferner ein zu y proportionaler Term (Keil- oder Kippterm) addiert werden, dessen optische Wirkung auf den beiden Freiformflächen sich dann nahezu aufhebt, aber eine Minimierung der Mittendicke des Elementes ermöglicht. Ein reiner Kippungsterm auf den Freiformflächen ist in erster Näherung optisch wirkungslos und ruft daher insbesondere auch keine Farbfehler hervor.
• Es ist möglich, dass die beiden relativ zueinander bewegten optischen Komponenten 3, 5 wie in 1 gezeigt so orientiert sind, dass die beiden Freiformflächen 11, 13 einander zugewandt sind. In diesem Falle kann mit Hilfe eines Immersionsmediums zwischen den Freiformflächen 11, 13 eine achromatische Wellenfrontmanipulation erzielt werden, wie weiter hinten ausgeführt ist.
• Es ist aber auch möglich, die beiden optischen Komponenten 3, 5 derart zu orientieren, dass die Freiformflächen 11, 13 voneinander abgewandt sind. Auf diese Weise kann der Abstand zwischen den optischen Komponenten, die sich dann an den nur die sphärischen Grundkrümmungen aufweisenden optischen Flächen gegenüberstehen, minimal gehalten werden.
• Es ist auch möglich, dass die Freiformflächen zusätzliche Terme höherer Ordnung zur Beeinflussung einzelner Bildfehler aufweisen können. Beispielsweise würde ein Polynom 5. Ordnung der Form

  

  vorwiegend die Sphärische Aberration 3. Ordnung beeinflussen und könnte somit etwa für Anwendungen im Bereich der Mikroskopie die bei Fokussierung in eine andere Probentiefe auftretende Sphärische Aberration korrigieren helfen. Auch eine teilweise oder vollständige Ausgleichung der durch die Scheiteldickenänderung des Elements (Piston-Term) im konvergenten Strahlengang hervorgerufenen Sphärischen Aberration kann auf diese Weise erfolgen. Eine Sphärische Aberration 5. Ordnung wird durch ein entsprechendes Polynom 7. Ordnung beschrieben usw.
• Die Strukturprofile können frei überlagert sein, d. h. eine Struktur zur Änderung der Brechkraft und eine Struktur zur Änderung der Sphärischen Aberration können in einer Freiformfläche 11, 13 überlagert sein, so dass ein entsprechender Wellenfrontmanipulator bei Verschiebung der optischen Komponenten 3, 5 gegeneinander eine Brechkraftwirkung variiert und gleichzeitig eine Sphärische Aberration ändert, wobei beide Änderungen mit einem beliebig aber fest vorzuwählenden Proportionalitätsfaktor proportional zueinander sind.
• Weiterhin ist es auch möglich, dass beide Seiten der bewegten optischen Komponenten 3, 5 eine Wirkform gemäß der oben beschriebenen Formen aufweisen. Beispielsweise könnte eine symmetrische Aufteilung des Flächenprofils gemäß der obigen Formel auf Vorder- und Rückfläche einer Komponente bewirken, dass die Profiltiefen auf jeder Fläche ausreichend gering bleiben, so dass beispielsweise eine fotolithografische Herstellung der Elemente, die typischerweise nur maximale Profiltiefen im Bereich kleiner als 10 bis 30 μm ermöglicht, erleichtert ist.
• Nach Lohmann (vgl. Appl. Opt. Vol. 9, No 7, (1970), p. 1669–1671) ist es möglich, eine zur Lehre von Alvarez weitgehend äquivalente Variolinse darzustellen, bei der zwei Freiformflächen beispielsweise in niedrigster Ordnung durch eine Gleichung der Form z(x, y) = A·(x³ + y³) (5) beschrieben werden und die Relativbewegung der optischen Komponenten 3, 5 zueinander entlang einer unter 45° gegenüber der x- und y-Achse verlaufenden Geraden senkrecht zur optischen Systemachse erfolgt. Die Konstante A ist dabei wiederum eine freie Skalierungskonstante, die die maximale Profiltiefe der Freiformfläche und dadurch die Brechkraftänderung pro Weglänge beschreibt. Es handelt sich bei der Beschreibung nach Lohmann nicht um eine unabhängige Lösung, sondern im Wesentlichen nur um eine alternative Darstellung.
• Weitere Details zur Konstruktion der Freiformflächen 11, 13, mit der sich die variable Brechkraftwirkung erzielen lässt, ist in US 3,305,294 beschrieben. Auf dieses Dokument wird hinsichtlich der Konstruktion der Freiformflächen verwiesen.
• Nachfolgend wird ein konkretes Ausführungsbeispiel für das Konstruieren eines optischen Systems mit einem erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator unter Bezugnahme auf Konstruktionsdaten anhand der 4 bis 25 beschrieben. Das konkrete Beispiel stellt ein Variosystem mit einstellbarer Brennweite dar und enthält einen Wellenfrontmanipulator 21 mit drei optischen Komponenten 23, 25, 27, der hier als defokussierender Wellenfrontmanipulator und somit als Variolinse fungiert. Dem Wellenfrontmanipulator 21 ist eine festbrennweitige Linsengruppe 29 nachgelagert, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Kittglied ausgebildet ist. Mit Hilfe des Wellenfrontmanipulators 21 erfolgt eine stufenlose Anpassung der Fokussierung auf unterschiedliche Objektentfernungen zwischen 500 mm und 166,67 mm. Dadurch, dass das Kittglied 29 dem Wellenfrontmanipulator 21 objektseitig vorgelagert ist, befindet sich der Wellenfrontmanipulator im stark konvergenten Strahlengang. Dies entspricht vielen realen Anwendungsfällen, in denen ein Anordnen des Wellenfrontmanipulators zwischen dem Objekt und einer Objektivlinse nicht möglich ist. Dem Kittglied 29 ist eine Aperturblende BL zur Strahlenbündelbegrenzung vorgelagert. Ihr Durchmesser beträgt im vorliegenden Ausführungsbeispiel 20 mm, was einer Öffnungszahl von ca. 2,5 entspricht.
• Um die Konstruktion des in den 16 bis 20 dargestellten optischen Systems besser verdeutlichen zu können, wird die Konstruktion in drei Schritten beschrieben. Zunächst wird in einem ersten Schritt für eine feste Objektentfernung von 250 mm ein quasi abbildungsfehlerfreies Kittglied 29 mit asphärischer Frontlinse angegeben. Im zweiten Schritt wird dann eine aus dem Stand der Technik bekannte Variolinse 35 mit lateraler Verschiebung der optischen Komponenten relativ zueinander zur Variation der Systembrechkraft und damit zur Anpassung an geänderte Objektschnittweiten ergänzt. Die Parameter sind dabei so gewählt, dass sich bei einer mittleren Objektentfernung von 250 mm wieder eine praktisch abbildungsfehlerfreie Abbildung ergibt. Es erfolgt dann eine Optimierung der Freiformflächenparameter derart, dass sich eine mit den optischen Mitteln dieser Anordnung optimale Fokussierung und Korrektion bei dem gesamten Bereich von Objektentfernungen ergibt. Das optische System mit der konventionellen Variolinse dient als Vergleichssystem zu dem im dritten Schritt beschriebenen optischen System mit dem erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator 21, mit dem es gelingt, eine fast perfekte Kompensation der bei der Änderung der Objektschnittweite auftretenden Abbildungsfehler zu bewirken.
• Das nahezu fehlerfrei abbildende Kittglied 29 ist in 4 dargestellt. Dieses besteht aus einer auf der Bildseite asphärisch ausgebildeten Sammellinse des Glases FK 5 und einer damit verkitteten sphärischen Zerstreuungslinse aus dem Glas SF 1. Dieser Teil des Systems dient dazu, eine quasi ideal korrigierte festbrennweitige Optik darzustellen, die in praktischen Anwendungen auch durch ganz anders aufgebaute mehrlinsige Objektive realisiert sein kann. Das Kittglied 29 weist außerdem eine rotationssymmetrische asphärische Fläche F1 auf, die durch folgende Gleichung definiert ist:

  

  
• Das Kittglied 29 ist im vorliegenden Beispiel so ausgebildet, dass es ein Objekt, welches sich 250 mm vor dem Scheitel der objektseitig führenden Linsenfläche F1 befindet, auf eine Bildebene in 50 mm Entfernung vom bildseitig letzten Linsenscheitel der Fläche F3 abbildet. Als Anwendungsfall für das hier beschriebene Beispiel kann ein Objektiv für ein digitales Operationsmikroskop angesehen werden. In dem in 4 dargestellten optischen System sind zudem noch zwei planparallele Glasplatten 31, 33 vorhanden, welche die zusätzlichen Glaswege durch die später hinzuzufügenden Variolinsen repräsentieren. Die Scheitelraten, die Abstände der optisch wirksamen Flächen und die Materialien der optischen Elemente sind in der nachfolgenden Tabelle 1 angegeben. Die zur rotationssymmetrischen asphärischen Fläche gehörigen Koeffizienten k, A, B, C und D sind bei der entsprechenden Fläche im Anschluss an den Scheitelradius angegeben. Tabelle 1

  Fläche	Scheitelradius	Dicke/Abstand	Material
  Objekt	∞	500.000000
  Blende	∞	0.000000
  F1:	16.25850	6.000000	FK5_SCHOTT
  Asphärenparameter:
  A: –0.106452E-04;	B: –0.216063E-07;	C: –0.285433E-10;	D: –0.207670E-12
  F2:	–27.28208	1.000000	SF1_SCHOTT
  F3:	428.41261	0.500000
  F4:	∞	1.400000	NLASF44_SCHOTT
  F5:	∞	0.200000
  F6:	∞	1.400000	NLASF44_SCHOTT
  F7:	∞	50.000000
  Bildebene	∞	0.000000

• zeigt die zur Optik aus 4 gehörenden monochromatischen Bildfehler anhand von Bildfehlerkurven. Die vertikale Achse bezeichnet die geometrisch-optische Queraberration bei einer Wellenlänge von 546 nm, wobei die Skala von –0,5 mm bis +0,05 mm reicht. Dabei zeigt die linke Seite, die in der Figur Y-Fan (Y-Fächer) bezeichnet ist, die Queraberration für ein Strahlenbündel in Abhängigkeit von der y-Koordinate des Öffnungsstrahls in der Austrittspupille, die rechte Seite, die in der Figur X-Fan (X-Fächer) bezeichnet ist, eine entsprechende Darstellung der Queraberration für das Strahlenbündel in Abhängigkeit von der x-Koordinate des Öffnungsstrahls in der Austrittspupille. Das Strahlenbündel weist dabei einen Achsstrahl als Hauptstrahl auf, d. h. der Hauptstrahl ist ein Strahl, der auf der optischen Achse des festbrennweitigen Kittglieds 29 verläuft, also die x- und y-Koordinaten 0,0 aufweist und in der y-z-Ebene sowie in der x-z-Ebene jeweils den Einfallswinkel 0° bezogen auf die optische Achse besitzt. Der von dem optischen System aus 4 erzeugte Bildpunkt eines durch einen Achsstrahl als Hauptstrahl gekennzeichneten Strahlenbündels liegt dabei auf der optischen Achse.
• In 5 ist zu erkennen, dass die auftretenden Restfehler praktisch vollkommen vernachlässigbar sind und das in 4 dargestellte optische System für die Objektschnittweite von 250 mm praktisch beugungsbegrenzt ist. Das in 4 gezeigte optische System ist daher praktisch perfekt gegen monochromatische Abbildungsfehler bei 546 nm Wellenlänge korrigiert.
• Im zweiten Schritt der Konstruktion des optischen Systems aus den 16 bis 20 tritt an die Stelle der planparallelen Glasplatten 31, 33 ein Wellenfrontmanipulator 35 nach Stand der Technik mit zwei senkrecht zur optischen Achse gegenläufig lateral verschiebbaren optischen Komponenten 37, 39. Diese Variolinse 35 nach Stand der Technik befindet sich im konvergenten Strahlengang und soll zur Fokussierung auf unterschiedliche Objektentfernungen dienen. In den 6 bis 10 sind unterschiedliche Relativstellungen der optischen Komponenten 37, 39 abgebildet, die zu unterschiedlichen Objektschnittweiten führen. Die in 6 dargestellte Stellung führt zu einer Objektschnittweite von 500 mm, die in 7 dargestellte Stellung zu einer Objektschnittweite von 333,33 mm, die in 8 dargestellte Stellung, welche als Neutralstellung angesehen werden kann, zu einer Objektschnittweite von 250 mm, die in 9 dargestellte Stellung zu einer Objektschnittweite von 200 mm und die in 10 dargestellte Stellung zu einer Objektschnittweite von 166,67 mm. Die Schnittweite der Bildebene relativ zum bildseitig letzten optischen Element des optischen Systems bleibt dabei in allen Stellungen konstant bei 50 mm.
• In dem in den 6 bis 10 dargestellten Beispiel ist das Profil der Freiformflächen G4, G6 der optischen Komponenten 35, 37 durch Polynome der fünften Ordnung so beschrieben, dass neben der Defokussierungswirkung auch die Sphärische Aberration bei geänderter Objektschnittweite entsprechend mit angepasst werden kann. Die lateralen Verschiebungswege der optischen Komponenten 37, 39 betragen jeweils rund ±2 mm. In den 6 und 10 sind dabei Verschiebewege von betragsmäßig 2 mm gezeigt, wobei die optischen Komponenten 37, 39 jeweils um den Betrag von 2 mm in entgegengesetzte Richtungen versetzt sind. Bei den Stellungen aus 7 und 9 sind die optischen Komponenten jeweils um einen Betrag von 0,986 mm verschoben, und bei der in 8 gezeigten Stellung liegt keine Verschiebung vor.
• Die Konstruktionsparameter des in den 6 bis 10 dargestellten optischen Systems sind in der nachfolgenden Tabelle 2 wiedergegeben. Die Parameter des Kittgliedes 29 unterscheiden sich dabei nicht von denen aus 4. Tabelle 2

  Fläche	Scheitelradius	Dicke/Abstand	Material
  Objekt	∞	variabel
  Blende	∞	0.000000
  G1:	16.25850	6.000000	FK5_SCHOTT
  Asphärenparameter:
  A: –0.106452E-04;	B: –0.216063E-07;	C: –0.285433E-10;	D: –0.207670E-12
  G2:	–27.28208	1.000000	SF1_SCHOTT
  G3:	428.41261	0.500000
  G4:	∞	1.400000	NLASF44_SCHOTT
  Freiformflächenkoeffizienten:
  X2Y: –4.2200E-04;	Y3: –1.4185E-04;	X4Y: 7.9936E-07
  X2Y3: 5.3585E-07;	Y5: 1.5978E-07
  G5:	∞	0.200000
  G6:	∞	1.400000	NLASF44_SCHOTT
  Freiformflächenkoeffizienten:
  X2Y: –4.2200E-04;	Y3: –1.4185E-04;	X4Y: 7.9936E-07
  X2Y3: 5.3585E-07;	Y5: 1.5978E-07
  G7:	∞	50.000000
  Bildebene	∞	0.000000

• Die 11 bis 15 zeigen die bei den jeweiligen Relativstellungen der optischen Komponenten 37, 39 in den 6 bis 10 auftretenden monochromatischen Bildfehler bei einer Wellenlänge von 546 nm in einer Darstellung, die der Darstellung aus 5 entspricht. Dabei zeigt 11 die in der Stellung aus 6 auftretenden Bildfehler, 12 die in der Stellung aus 7 auftretenden Bildfehler, 13 die in der Stellung aus 8 auftretenden Bildfehler, 14 die in der Stellung aus 9 auftretenden Bildfehler und 15 die in der Stellung aus 10 auftretenden Bildfehler. In den 11 bis 15 ist klar zu erkennen, dass die Variolinse nach Stand der Technik praktisch in allen Stellungen monochromatische Bildfehler induziert, vor allem aber in denjenigen Stellungen, bei denen die Variolinse eine stärkere positivere Brechkraft bereitstellen muss. Dominant ist ein Komaterm im x-z-Schnitt der wesentlich größer als die residualen Änderungen der Sphärischen Aberration ist.
• Im dritten und letzten Schritt der Konstruktion des optischen Systems aus den 16 bis 20 ist die Variolinse nach Stand der Technik durch eine Variolinse ersetzt, die von einem erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator gebildet ist. Wie bereits erwähnt, besteht der Wellenfrontmanipulator 21 des vorliegenden Ausführungsbeispiels aus drei optischen Komponenten 23, 25, 27, die jeweils um eine Drehachse DA gedreht werden können. Die Drehachse DA verläuft näherungsweise durch den axialen Bildpunkt des optischen Systems, wobei sie in einer Stellung des Wellenfrontmanipulators 21 genau durch den axialen Bildpunkt verlaufen kann. Typischerweise wird diese Stellung die Neutralstellung des Wellenfrontmanipulators 21 sein, die in 1 dargestellt ist. Der sich im axialen Bildpunkt befindliche Schnittpunkt der Drehachse DA mit der optischen Achse OA bildet gleichzeitig den Krümmungsmittelpunkt der Grundkrümmungen der optischen Flächen der optischen Komponenten 23, 25, 27 des Wellenfrontmanipulators 21.
• Die Drehungen der drei optischen Komponenten 23, 25, 27 erfolgen alle um denselben Winkelbetrag, wobei die beiden äußeren Komponenten 23, 27 im selben Drehsinn gedreht werden, die mittlere Komponente 25 dagegen im entgegengesetzten Drehsinn, so dass sich die mittlere Komponente 25 gegenläufig zu den beiden äußeren optischen Komponenten 23, 27 um denselben Winkelbetrag wie die beiden äußeren optischen Komponenten 23, 27 bewegt. Da sich die Glaswege durch den Wellenfrontmanipulator 21 von den Glaswegen durch den Wellenfrontmanipulator 35 nach Stand der Technik unterscheiden, sind die Parameter des Kittgliedes 29 leicht angepasst worden.
• Die 16 bis 20 zeigen fünf verschiedene Drehstellungen der optischen Komponenten 23, 25, 27, wobei die Drehwinkel bei der in 16 dargestellten Stellung einen Betrag von 1,42908° aufweisen, bei der in 17 dargestellten Stellung einen Betrag von 0,70787°, bei der in 18 dargestellten Stellung einen Betrag von 0,0°, bei der in 19 dargestellten Stellung einen Betrag von 0,69801° und bei der in 20 gezeigten Stellung einen Betrag von 1,38936°.
• Die drei optischen Komponenten 25, 27, 29 weisen insgesamt vier Freiformflächen H2, H3, H4, H5 auf, wobei die mittlere optische Komponente 25 auf beiden Seiten mit einer Freiformfläche H3, H4 versehen ist und die beiden äußeren optischen Komponenten 23, 27 jeweils auf denjenigen Seiten, die der mittleren Komponente zugewandt sind. Die Freiformprofile der Flächen H2 und H3 sind dabei identisch, ebenso die Freiformprofile der Flächen H4 und H5. Gleichzeitig sind die Freiformprofile der Flächen H4 und H5 komplementär zu den Freiformprofilen der Flächen H2 und H3. Die Freiformflächen der optischen Komponenten 23, 25, 27 können durch die Polynomentwicklung gemäß der Gleichung (2) beschrieben werden.
• Die Konstruktionsparameter des optischen Systems aus den 16 bis 20 sind in Tabelle 3 angegeben. Die Entwicklungskoeffizienten C_m,n der Polynomentwicklung sind dabei jeweils an den entsprechenden Flächen angegeben, wobei die Entwicklungskoeffizienten mit den Potenzen der zugehörigen Polynomterme gekennzeichnet sind. Tabelle 3

  Fläche	Scheitelradius	Dicke/Abstand	Material
  Objekt	∞	variabel
  Blende	∞	0.000000
  H1:	18.44520	6.000000	FK5_SCHOTT
  Asphärenparameter:
  A: –0.106452E-04,	B: –0.216063E-07,	C: –0.285433E-10,	D: –0.207670E-12
  H2:	–58.02988	1.000000	SF1_SCHOTT
  H3:	190.87403	0.250000
  H4:	54.67500	1.400000	NLASF44_SCHOTT
  H5:	54.67500	0.200000
  Freiformflächenparameter
  X2Y: –3.1262E-04;	Y3: –1.0447E-04;	X4Y: 2.4918E-07
  X2Y3: 1.3354E-07;	Y5: 4.3001E-08;
  H6:	54.67500	1.400000	NLASF44_SCHOTT
  Freiformflächenparameter
  X2Y: –3.1262E-04;	Y3: –1.0447E-04;	X4Y: 2.4918E-07
  X2Y3: 1.3354E-07;	Y5: 4.3001E-08;
  H7:	54.67500	0.200000
  Freiformflächenparameter
  X2Y: 3.1262E-04;	Y3: 1.0447E-04;	X4Y: –2.4918E-07
  X2Y3: –1.3354E-07;	Y5: –4.3001E-08;
  H8:	54.67500	1.400000	NLASF44_SCHOTT
  Freiformflächenparameter
  X2Y: 3.1262E-04;	Y3: 1.0447E-04;	X4Y: –2.4918E-07
  X2Y3: –1.3354E-07;	Y5: –4.3001E-08;
  H9:	54.67500	50.000000
  Bildebene	∞	0.000000

• Es sei darauf hingewiesen, dass es mathematisch unendlich viele äquivalente Darstellungen derselben Freiformflächen gibt. Wie weiter vorne ausgeführt wurde, führt eine andere Definition der Bewegungsrichtungen zu einer anders aussehenden Darstellung, die sich aber als weitgehend äquivalent erweist. Die Erfindung ist daher nicht auf die explizite Form der im konkreten Ausführungsbeispiel gewählten Darstellung beschränkt.
• Die in den 16 bis 20 gezeigten Stellungen repräsentieren Objektschnittweiten von 500 mm (16), 333,33 mm (17), 250 mm (18), 200 mm (19) und 166,67 mm (20). Die Schnittweite der Bildebene vom bildseitig letzten optischen Element des optischen Systems ist dabei wiederum konstant und beträgt wie bei den optischen Systemen aus 4 und aus den 6 bis 10 50 mm.
• Die 21 bis 25 zeigen in einer zur Darstellung aus 5 und den 11 bis 15 analogen Darstellung die im optischen System bei den einzelnen Stellungen des Wellenfrontmanipulators auftretenden monochromatischen Bildfehler bei einer Wellenlänge von 546 nm. 21 zeigt dabei die in der Stellung aus 16 auftretenden Bildfehler, 22 die in der Stellung aus 17 auftretenden Bildfehler, 23 die in der Stellung aus 18 auftretenden Bildfehler, 24 die in der Stellung aus 19 auftretenden Bildfehler und 25 die in der Stellung aus 20 auftretenden Bildfehler. Wie aus den Figuren leicht zu erkennen ist, sind die Aberrationen nahezu konstant für alle Stellungen und erheblich kleiner als bei der Verwendung eines Wellenfrontmanipulators nach Stand der Technik.
• Als ein zweites Ausführungsbeispiel für ein optisches System mit einem erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator wird nachfolgend ein Mikroskop mit einem hochaperturigen Objektiv beschrieben. Das Mikroskop ist schematisch in 26 dargestellt. Es umfasst ein Objektiv 41, welches aus einer Mehrzahl von Objektivlinsen besteht und das ein von einem Beobachtungsobjekt 40 ausgehendes divergentes Strahlenbündel in ein kollimiertes Strahlenbündel umwandelt, sowie ein dem Objektiv 41 nachgeordnetes Tubuslinsensystem 43, welches das kollimierte Strahlenbündel in der Bildebene 45 fokussiert. Das Objektiv 41, das eine numerische Apertur von 1,0 besitzt, umfasst in Richtung vom Objekt 40 zum Bild gesehen eine erste Linsenkombination 47, die nachfolgend vordere positive Linsengruppe genannt wird und die insgesamt eine derartige positive Brechkraft aufweist, dass sie ein von dem Beobachtungsobjekt 40 ausgehendes divergentes Strahlenbündel in ein konvergentes Strahlenbündel umwandelt. Der vorderen positiven Linsengruppe 47 ist eine weitere Linsengruppe 49 mit positiver Brechkraft, im Folgenden mittlere positive Linsengruppe genannt, nachgeordnet, die das von der ersten positiven Linsengruppe 47 ausgehende konvergente Strahlenbündel weiter konvergiert, so dass der Konvergenzwinkel des Strahlenbündels größer wird. Der mittleren positiven Linsengruppe 49 ist eine Konkavlinse 51 nachgeschaltet, die das von der mittleren positiven Linsengruppe ausgehende konvergente Strahlenbündel in ein divergentes Strahlenbündel umwandelt. Der Konkavlinse 51 ist noch eine weitere Linsengruppe 53 mit positiver Brechkraft, im Folgenden hintere positive Linsengruppe genannt, nachgeordnet, die aus dem von der Konkavlinse 51 ausgehenden divergenten Strahlenbündel ein kollimiertes Strahlenbündel generiert. Die hintere positive Linsengruppe ist die abschließende Linsengruppe des Objektivs 41.
• Das in den 26 bis 29 dargestellte Objektiv weist eine numerische Apertur von 1,0, einen Abbildungsmaßstab von 20:1 und einen Objektfelddurchmesser von 1 mm auf. Es wird zusammen mit einem zwischen dem Objekt 40 und dem Objektiv 41 befindlichen Immersionsmedium benutzt, welches einen deutlich höheren Brechungsindex als Luft aufweist und so die hohe numerische Apertur des Objektivs 41 ermöglicht. Gängige Immersionsmedien weisen Brechungsindizes zwischen 1,3 und 2,1 auf. Häufig haben sie einen Brechungsindex von 1,5.
• Zwischen der vorderen positiven Linsengruppe 47 und der mittleren positiven Linsengruppe 49 befindet sich ein Luftraum mit dem von der vorderen positiven Linsengruppe 47 ausgehenden konvergenten Strahlenbündel. In diesem Luftraum 55 ist ein erfindungsgemäßer Wellenfrontmanipulator 57 angeordnet. Dieser umfasst zwei optische Komponenten 59, 61, welche jeweils die Grundform eines Meniskus aufweisen. Die einander zugewandten optischen Flächen der beiden Komponenten 59, 61 sind sphärisch ausgebildet, die der vorderen positiven Linsengruppe 47 bzw. der mittleren positiven Linsengruppe 49 zugewandten optischen Flächen der Komponenten 59, 61 weisen die Freiformflächen auf. Die Ausgestaltung mit einander abgewandten Freiformflächen bietet den Vorteil, dass der Abstand zwischen den beiden optischen Komponenten 59, 61 des Wellenfrontmanipulators 57 minimiert werden kann.
• Die Freiformflächen auf den optischen Komponenten 59, 61 des Wellenfrontmanipulators 57 sind derart ausgebildet, dass bei einer Rotation der optischen Komponenten 59, 61 um denselben Winkelbetrag, aber entgegenläufigen Drehrichtungen, eine Variation des Defokus erfolgt und gleichzeitig die dabei auftretende sphärische Aberration kompensiert wird. Dies kann erreicht werden, wenn die durch Formel (2) beschriebenen Freiformprofile durch Polynome der 5. Ordnung gegeben sind. Der Einstellbereich des Wellenfrontmanipulators 55 ermöglicht eine Variation der Objektschnittweite im Bereich um ±200 Rayleigh-Längen um die mittlere Objektschnittweite. Es sei an dieser Stelle aber darauf hingewiesen, dass die Variation der Objektschnittweite um ±200 Rayleigh-Längen keine Grenze des machbaren darstellt. Vielmehr sind auch deutlich größere Wirkungen des Wellenfrontmanipulators realisierbar. Die Drehachse DA, um die die Rotation erfolgt und die zumindest näherungsweise auch den Mittelpunkt der sphärischen Grundkrümmungen der optischen Komponenten 59, 61 darstellt, befindet sich zwischen dem Objektiv 1 und dem Tubuslinsensystem 43. Im Bereich des Wellenfrontmanipulators befindet sich zudem noch eine Systempupille 62, also ein reelles Bild einer Aperturblende.
• In den 27 bis 29 ist das Objektiv 41 mit den optischen Komponenten 59, 61 des Wellenfrontmanipulators 57 in drei verschiedenen Relativstellungen dargestellt, wobei die in 28 dargestellte Relativstellung die Neutralstellung ist, in der der Wellenfrontmanipulator keinen Defokus und keine sphärische Aberration induziert.
• Die 30 bis 32 zeigen die in den 27 bis 29 dargestellten Stellungen des Wellenfrontmanipulators 57 auftretenden Bildfehler für Wellenlängen im Bereich zwischen 400 und 830 nm. 30 zeigt dabei die Bildfehler für die Wellenfrontmanipulatorstellung aus 27, 31 die Bildfehler für die Wellenfrontmanipulatorstellung aus 28 und 32 die Bildfehler für die Wellenfrontmanipulatorstellung aus 29. Der Fachmann erkennt leicht, dass das Objektiv 41 über den gesamten Einstellbereich des Wellenfrontmanipulators 55 hinweg eine praktisch beugungsbegrenzte Abbildung bereitstellt. Eine vergleichbare Bildgüte wäre mit einem Wellenfrontmanipulator, der linear verschiebbare Freiformelemente aufweist und sich im konvergenten oder divergenten Strahlengang befindet, so nicht möglich. Die Konstruktionsdaten des Objektivs aus den 26 bis 29 sind in tabellarischer Form in 33 dargestellt, wobei die Flächen aus den 26 bis 29 von links nach rechts durchnummeriert sind. Die asphärischen Konstanten der Rotationsasphären gemäß Gleichung (6) (Flächen 10, 33 und 38 33) sind
  für Fläche 10 (Grundradius: –27.7439):

  A: 0.130515E-04;

  B: 0.125253E-07;

  C: –0.294124E-13;

  D: 0.293420E-14,

  für Fläche 33 (Grundradius: –9.4181):

  A: 0.382671E-03;

  B: –862917E-06;

  C: 0.267789E-07;

  D: –0.452488E-10

  und für Fläche 38 (Grundradius: –38.9683):

  A: 0.331840E-04;

  B: –0.134881E-07;

  C: –0.585093E-10;

  D: 0.977863E-12.

• Die beiden Freiformflächen (Flächen 13 und 18 in 33) weisen identische Flächenprofile auf, die durch den Grundradius 119.79122 und die Entwicklungskoeffizienten der Gleichung (2) zu beschreiben sind. Die Entwicklungskoeffizienten sind:

  X2Y: 3.2811 E-05;	Y3: 1.0889E-05;	X4Y: 1.6096E-08;
  X2Y3: 1.1705E-08;	Y5: 3.3448E-09;	X6Y: 6.3130E-12;
  X4Y3: 5.0877E-12;	X2Y5: 3.1067E-12;	Y7: 9.5321E-13.

• Die Refokussierung im Objektraum in dem Einstellbereich von ±100 μm wird durch eine gegenläufige Rotation der zwei näherungsweise meniskusförmigen optischen Komponenten 59, 61 von jeweils ±1.410 um die lokale x-Achse durch den gemeinsamen Krümmungsmittelpunkt bewirkt. Exakt ist das Beispiel so ausgeführt, dass die Drehung um die x-Achse durch den Punkt erfolgt, der sich auf der z-Achse befindet und vom Scheitel der ersten optischen Komponente 59 eine Entfernung von 119.7912 mm in Lichtrichtung, also in Richtung auf die Bildebene aufweist.
• Ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes optisches System ist in den 34 bis 37 dargestellt, die ein sogenanntes Varioskop, also ein Hauptobjektiv mit einstellbarer Objektschnittweite zeigen. Ein solches Varioskop kommt beispielsweise bei Operationsmikroskopen zur Anwendung, wobei es insbesondere bei ophthalmologischen Operationsmikroskopen zum Einsatz kommen kann. In einem klassischen Varioskop erfolgt eine Fokussierung, und damit eine Änderung der Objektschnittweite, durch ein Verschieben von Linsenelementen entlang der optischen Achse, so dass ein großer Bauraum benötigt wird. Mit Hilfe eines erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulators, der als Variolinse, also als Element mit variablem Defokus, ausgebildet ist, lässt sich im Vergleich dazu ein deutlich kompakteres Varioskop realisieren, so dass dem Anwender mehr Arbeitsraum und damit mehr Bewegungsfreiheit zur Verfügung steht.
• Das erfindungsgemäße Varioskop umfasst eine dem in der Ebene J12 befindlichen Beobachtungobjekt zugewandte Sammellinse 69, die als Kittglied ausgebildet ist und eine der Sammellinse 69 nachgeschaltete Sammellinse 71, die ebenfalls als Kittglied ausgebildet ist. Zwischen der Sammellinse 69 und der Sammellinse 71 befindet sich ein Luftraum mit einem von der Sammellinse 69 zur Sammellinse 71 gesehen divergenten Strahlenbündel. In diesem Luftraum ist ein erfindungsgemäßer Wellenfrontmanipulator 73 mit zwei optischen Komponenten 75, 77 angeordnet. Die optischen Komponenten 75, 77 sind gegenläufig um eine die optische Achse OA senkrecht schneidende Rotationsachse RA drehbar gelagert. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Drehachse DA so orientiert, dass sie sich senkrecht zur Zeichenebene erstreckt und die gegenläufige Drehung der optischen Komponenten 75, 77 in der Zeichenebene verläuft.
• Die optischen Elemente 75, 77 des Wellenfrontmanipulators 73 weisen jeweils die Grundform eines Meniskus auf, wobei die einander zugewandten optischen Flächen der Komponenten 75, 77 sphärische sind. Die der Sammellinse 69 bzw. der Sammellinse 71 zugewandten Flächen der optischen Komponenten 75, 77 sind als Freiformflächen ausgebildet, deren Freiformprofile durch die folgende Gleichung beschrieben werden:

  
• Dabei repräsentieren ρ_x und ρ_y die Krümmungen in x-Richtung bzw. in y-Richtung, κ_x und κ_y konische Konstanten und b_i die Freiformflächenkoeffizienten.
• Die nachfolgende Aufstellung enthält eine geometrische Beschreibung des Varioskops aus den 34 bis 36, wobei die angegebenen Krümmungsradien ρ, ρ_x und ρ_y die Einheit 1/mm besitzen. Die Zahlen „x”, „y” und „z” bedeuten jeweils die Lagen der Koordinatenursprünge der jeweiligen Flächen in mm in Koordinaten zur Fläche J0, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel mit der Fläche J1 einer Blendenebene zusammenfällt. Die x-Achsen der lokalen Koordinatensysteme sämtlicher Flächen J0 bis J12 verlaufen parallel zur x-Achse der Fläche J0. Die Koordinaten der y-Achsen der lokalen Koordinatensysteme bzgl. der Fläche J0 sind als eyx, eyy und eyz angegeben, die Koordinaten der z-Achsen der lokalen Koordinatensysteme bzgl. der Flächen J0 als ezx, ezy und ezz. Die Richtung der z-Achsen der Kittglieder 69, 71 ist parallel zu einer optischen Achse OA des Varioskops. Die Freiformflächen der optischen Komponenten 75, 77 des Wellenfrontmanipulators 73 in Tabelle 4 sind derart positioniert, dass die Fokusebene J12, im vorliegenden Beispiel um z = 194,6 mm gegenüber der Fläche J0 verschoben ist. Tabelle 4 enthält diejenigen Einträge, die in der Aufstellung abgeändert werden müssen, um eine andere Fokusstellung zu erhalten. Die in 34 gezeigte Stellung des Wellenfrontmanipulators 73 entspricht der Fokusstellung 1 in Tabelle 4 (die auch der Stellung in der Aufstellung entspricht), die in 35 gezeigte Stellung der Fokusstellung 3 und die in 36 gezeigte Stellung der Fokusstellung 5.

  Fläche Nr.	J0
  Medium: LUFT:
  ρ: 0.000000
  Fläche Nr.	J1
  Medium: LUFT:
  x	y	z
  11.000	10.000	0.000
  eyx	eyy	eyz
  0.000000	1.000000	0.000000
  ezx	ezy	ezz
  0.000000	0.000000	1.000000
  ρ: 0.000000
  Fläche Nr.	J2
  Medium: N-PK52A,	Hersteller: SCHOTT
  x	y	z
  0.000	0.000	35.000
  eyx	eyy	eyz
  0.000000	1.000000	0.000000
  ezx	ezy	ezz
  0.000000	0.000000	1.000000
  ρ: 1/120.57
  Fläche Nr.	J3
  Medium: N-BAF4,	Hersteller: SCHOTT
  x	y	z
  0.000	0.000	47.400
  eyx	eyy	eyz
  0.000000	1.000000	0.000000
  ezx	ezy	ezz
  0.000000	0.000000	1.000000
  ρ: –1/78.863
  Fläche Nr.	J4
  Medium: LUFT
  x	y	z
  0.000	0.000	51.800
  eyx	eyy	eyz
  0.000000	1.000000	0.000000
  ezx	ezy	ezz
  0.000000	0.000000	1.000000
  ρ: –1/266.07
  Fläche Nr.	J5	(Freiformfläche)
  Medium: ZEONEX-480R,	Hersteller: ZEON
  x	y	z
  0.000	7.998	54.345
  eyx	eyy	eyz
  0.000000	0.998122	0.061257
  ezx	ezy	ezz
  0.000000	–0.061257	0.998122
  ρ_x:	1/130.566987
  ρ_y:	1/130.566987
  κ_x:	0.000000
  κ_y:	0.000000

  index i	Koeffizient bi
  2	2.250000e-02
  7	–5.068114e-05
  9	–1.637266e-05
  16	–3.027127e-09
  18	–4.222436e-09
  20	–1.020815e-09
  29	–2.822910e-13
  31	–1.294675e-13
  33	1.258101e-12
  35	–9.838862e-14

  Fläche Nr.	J6
  Medium: LUFT
  x	Y	Z
  0.000	7.814	57.340
  eyx	eyy	eyz
  0.000000	0.998122	0.061257
  ezx	ezy	ezz
  0.000000	–0.061257	0.998122
  ρ: 1/127.566987
  Fläche Nr.	J7
  Medium: ZEONEX-480R,	Hersteller: ZEON
  x	y	z
  0.000	–7.802	57.539
  eyx	eyy	eyz
  0.000000	0.998122	–0.061257
  ezx	ezy	ezz
  0.000000	0.061257	0.998122
  ρ: 1/127.366987
  Fläche Nr.	J8 (Freiformfläche)
  Medium: LUFT
  x	y	z
  0.000	–7.618	60.534
  eyx	eyy	eyz
  0.000000	0.998122	–0.061257
  ezx	ezy	ezz
  0.000000	0.061257	0.998122
  ρ_x:	1/124.366987
  ρ_y:	1/124.366987
  κ_x:	0.000000
  κ_y:	0.000000

  Index i	Koeffizient bi
  2	2.250000e-02
  7	–5.637332e-05
  9	–1.799152e-05
  16	–3.372422e-09
  18	–5.826684e-09
  20	–1.870207e-09
  29	–1.817967e-12
  31	9.125908e-13
  33	1.623049e-12
  35	3.435161e-13

  Fläche Nr.	J9
  Medium: N-SF5,	Hersteller: SCHOTT
  x	y	z
  0.000	0.000	61.300
  eyx	eyy	eyz
  0.000000	1.000000	0.000000
  ezx	ezy	ezz
  0.000000	0.000000	1.000000
  ρ: 1/124.3669	87
  Fläche Nr.	J10
  Medium: N-PK52A,	Hersteller: SCHOTT
  x	y	z
  0.000	0.000	64.300
  eyx	eyy	eyz
  0.000000	1.000000	0.000000
  ezx	ezy	ezz
  0.000000	0.000000	1.000000
  ρ: 1/98.248291
  Fläche Nr.	J11
  Medium: LUFT:
  x	y	z
  0.000	0.000	68.300
  eyx	eyy	eyz
  0.000000	1.000000	0.000000
  ezx	ezy	ezz
  0.000000	0.000000	1.000000
  ρ: 1/188.208442
  Fläche Nr.	J12
  Medium: LUFT:
  x	y	z
  0.000	0.000	194.600
  eyx	eyy	eyz
  0.000000	1.000000	0.000000
  ezx	ezy	ezz
  0.000000	0.000000	1.000000
  ρ: 0.000000

  Tabelle 4

  

  
• Typischerweise weist ein Operationsmikroskop wenigstens zwei stereoskopische Teilstrahlengänge auf, die gemeinsam ein stereoskopisches Bild generieren. Je stereoskopisches Bild sind dabei in der Regel zwei stereoskopische Teilstrahlengänge vorhanden, so dass bei einem Mikroskop, das neben einem Hauptbeobachter auch einen Mitbeobachter, beispielsweise einen Assistenzarzt, mit stereoskopischen Bildern versorgt, vier stereoskopische Teilstrahlengänge vorhanden sind. Eine mögliche Anordnung der stereoskopischen Teilstrahlengänge ist in 37 dargestellt, in der die Lage der Teilstrahlengänge 63A, 63B des Hauptbeobachters sowie die Lage der Teilstrahlengänge 65A, 65B eines Mitbeobachters anhand ihrer Pupillen in einer zur optischen Achse OA senkrechten Ebene 67 dargestellt sind. Die spezielle in 37 dargestellte Anordnung der Teilpupillen ermöglicht es, dass beide Beobachter, etwa ein Chirurg und sein Assistent, unter einem Winkel von 90° zum Objekt sitzen können und jeder Beobachter eine zur Sitzposition passende Stereobasis hat. Eine solche Sitzanordnung ist beispielsweise bei Operationen üblich.
• In dem in 37 gezeigten Beispiel verläuft die Verbindungslinie der Zentren der beiden Teilpupillen 63A, 63B des Hauptbeobachters parallel zur Drehachse DA des Wellenfrontmanipulators. Aufgrund der Symmetrie des Varioskops aus den 34 bis 36 und weil die optische Achse OA des Varioskops senkrecht zur Drehachse DA des erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulators verläuft, ist sichergestellt, dass sowohl der Hauptbeobachter als auch der Mitbeobachter keinen sogenannten Höhenfehler sehen, welcher sich in einem vertikalen Versatz der stereoskopischen Teilbilder äußern würde und besonders kritisch wäre, da er bei längerer Verwendung des Mikroskops zu unerwünschten Erscheinungen wie Ermüdung und Kopfschmerzen führen kann.
• Das mit Bezug auf die 34 bis 37 beschriebene Ausführungsbeispiel eignet sich insbesondere zur Verwendung in einem ophthalmologischen Operationsmikroskop. Das Kittglied 71 stellt dabei ein Hauptobjektiv dar, welches zur Beobachtung des vorderen Augenabschnittes verwendet werden kann, indem der Wellenfrontmanipulator 73 und das dem Hauptobjektiv in Richtung auf das Beobachtungsobjekt vorgeschaltete Kittglied 61 zusammen mit einer in der Figur nicht dargestellten Opthalmoskopierlupe aus dem Strahlengang des Operationsmikroskops herausgeschwenkt werden. Die Fokusebene befindet sich in diesem Fall in einer Position z = 244,45 mm hinter der Fläche J0. Wenn der Wellenfrontmanipulator 73 und das Kittglied 69 zusammen mit der nicht dargestellten Opthalmoskopierlupe in den Strahlengang eingeschwenkt sind, bildet das Hauptobjektiv 71 gemeinsam mit dem eingeschwenkten Wellenfrontmanipulator 73 und dem eingeschwenkten Kittglied 69 eine Reduzieroptik. Das Objekt ist in diesem Fall ein reales Zwischenbild der Retina, welches von der nicht dargestellten Ophthalmoskopierlupe erzeugt wird. Durch die Verwendung eines einschwenkbaren Kittgliedes 69 anstatt einer einschwenkbaren Einzellinse lässt sich dabei eine bessere Korrektion der Farbfehler im Zentrum der Abbildung realisieren. Das in den 34 bis 37 dargestellte Varioskop kann daher insbesondere zusammen mit einer Opthalmoskopierlupe als Fundussystem verwendet werden, wie es beispielsweise in DE 10 2008 011 608 A1 beschrieben ist.
• 38 zeigt eine alternative Ausführungsform des in 1 dargestellten Wellenfrontmanipulators. Wie der Wellenfrontmanipulator 1 aus 1 umfasst auch der Wellenfrontmanipulator 81 aus 38 zwei optische Komponenten 83, 85 die gegenläufig um eine Drehachse DA gedreht werden können. Ebenso wie beim Wellenfrontmanipulator aus 1 weisen die einander zugewandten optischen Flächen der optischen Elemente 83, 85 Freiformflächen 91, 93 auf, die durch Überlagerung des sphärischen Grundprofiles mit einem Freiformprofil, wie es mit Bezug auf die 1 bis 3 beschrieben worden ist, gebildet sind. In Abweichung zu dem in den 1 bis 6 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die einander abgewandten Flächen 87, 89 der optischen Komponenten 83, 85 aber nicht als rein sphärische Flächen ausgebildet. Stattdessen ist diesen Flächen eine diffraktive Struktur überlagert. Der Wellenfrontmanipulator aus 38 weist daher neben den refraktiven Freiformflächen 91, 93 auch diffraktive Flächen 87, 89 auf. Obwohl der Wellenfrontmanipulator 81 im dargestellten Ausführungsbeispiel sowohl refraktive Freiformflächen als auch diffraktive Flächen aufweist, besteht auch die Möglichkeit, einen erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator ausschließlich mit wenigstens zwei diffraktiven Flächen herzustellen. Wenn er sowohl refraktive Freiformflächen als auch diffraktive Flächen aufweist bietet er jedoch einen weiteren Freiheitsgrad, der dazu genutzt werden kann, den Wellenfrontmanipulator 81 achromatisch auszugestalten, also derart auszugestalten, dass die von ihm induzierte Wellenfrontmanipulation weitgehend unabhängig von der Wellenlänge wird.
• Nachfolgend wird das Konstruktionsprinzip für die zur Achromatisierung verwendeten diffraktiven Flächen beschrieben
• Die Freiformfläche z(x, y) kann zunächst allgemein beispielsweise durch eine Polynomentwicklung gemäß Gleichung (1) beschrieben werden, wobei C_m,n den Entwicklungskoeffizienten der Polynomentwicklung der Freiformfläche in der Ordnung m bzgl, der x-Richtung und der Ordnung n bzgl. der y-Richtung darstellt. Hierbei bezeichnen x, y und z die drei kartesischen Koordinaten eines auf der Fläche liegenden Punktes im lokalen flächenbezogenen Koordinatensystem.
• Die diffraktive Struktur kann dann durch eine entsprechende Polynomentwicklung der Form

  

  beschrieben werden, wobei C'_m,n den Entwicklungskoeffizienten der Polynomentwicklung der diffraktiven Struktur in der Ordnung m bzgl. der x-Richtung und der Ordnung n bzgl. der y-Richtung darstellt. Die Koordinaten x und y sowie die Bezugswellenlänge λ₀ sind in die Formeln (1) und (8) als dimensionslose Maßzahlen (sog. Lens Units) in Millimetern einzusetzen. Die hierdurch beschriebene diffraktive Struktur kann man sich körperlich so vorstellen, dass, ausgehend von der Trägerfläche, das zugehörige Segment der diffraktiven Fläche jeweils beim Erreichen eines festen Phasenwertes von 2π einen Sprung um einen Betrag λ₀/(n(λ₀) – 1) in z-Richtung gegenüber der Trägerfläche aufweist.
• Bei der achromatischen Auslegung des Wellenfrontmanipulators sind jeweils die Entwicklungskoeffizienten der Freiformfläche C_m,n und die Entwicklungskoeffizienten der diffraktiven Struktur C'_m,n mit gleichen Werten von n und m von Null verschieden und miteinander durch einen festen Proportionalitätsfaktor gekoppelt. Der Proportionalitätsfaktor hängt vorzugsweise von der Dispersion der verwendeten Glasart bzw. der verwendeten Kunststoffart ab und ist im jeweils vorliegenden Einzelfall aus einer numerischen Optimierungsrechnung zu bestimmen.
• Die zur Freiformfläche der Gleichtung (3) gehörige diffraktive Struktur zur Achromatisierung weist dann folgende definierende Gleichung auf:

  

  wobei der Koeffizient C' eine zu K proportionale Konstante ist, die mit K in einer von den Dispersionseigenschaften des verwendeten Glases abhängenden und im konkreten Falle numerisch zu bestimmenden Weise in Beziehung steht.
• Die zur Freiformfläche der Gleichtung (4) gehörige diffraktive Struktur zur Achromatisierung weist entsprechend bevorzugt folgende Form auf:

  
• Zur Minimierung der Mittendicke des Elementes kann bei den Freiformelementen ein zu y proportionaler Term (Keil- oder Kippterm) addiert werden, dessen optische Wirkung auf den beiden Freiformflächen sich dann nahezu aufhebt, aber eine Minimierung der Mittendicke des Elementes ermöglicht. Der entsprechende Term kann dann auch bei der diffraktiven Struktur vorgesehen werden. Sofern ein Kippterm bei einer refraktiven Freiformfläche vorgesehen ist, braucht er – in Abweichung zu der oben ausgeführten Lehre, wonach die Phasenfunktion der diffraktiven Fläche und das Höhenprofil der refraktiven Fläche immer die gleichen Polynomterme enthalten – nicht zwingend auch bei der diffraktiven Struktur vorgesehen sein. Das liegt daran, dass ein reiner Kippungsterm auf den Freiformflächen in erster Näherung optisch wirkungslos ist und daher insbesondere auch keine Farbfehler hervorruft
• Eine weitere Abwandlung des in 1 dargestellten Wellenfrontmanipulators zeigt 39. Der Wellenfrontmanipulator 101 aus 39 unterscheidet sich vom Wellenfrontmanipulator 1 aus 1 im Wesentlichen dadurch, dass sich zwischen seinen beiden optischen Komponenten 103, 105 ein Öl als Immersionsmedium 107 befindet. Zudem befinden sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel die refraktiven Freiformflächen 103, 109 auf den einander abgewandten Seiten der beiden optischen Komponenten 103, 105. Dies bietet den Vorteil, dass die optischen Komponenten im Vergleich zur Anordnung aus 1 näher zusammenrücken können und somit ein dünnerer Immersionsölfilm Verwendung finden kann. Das Immersionsöl 107 dient in dem in 39 dargestellten Ausführungsbeispiel in erster Linie als Gleitfilm.
• Ein Immersionsmedium kann aber auch bei einer Anordnung der Freiformflächen wie sie in 1 gezeigt ist, Verwendung finden. In diesem Fall ermöglicht die Verwendung eines Immersionsmediums zwischen den beiden Freiformflächen 11, 13 der optischen Komponenten 3, 5 des Wellenfrontmanipulators 1 eine sehr gut achromatisierte Abbildung. Wenn zudem noch diffraktive Flächen vorhanden sind, lässt sich die Bedingung für Trichromasie erfüllen, so dass auch das sekundäre Spektrum korrigiert werden kann. Zudem kann ein Immersionsmedium auch dann Verwendung finden, wenn statt der refraktiven Freiformflächen nur diffraktive Flächen im Wellenfrontmanipulator vorhanden sind. Ebenso sind auch erfindungsgemäße Wellenfrontmanipulatoren mit refraktiven Freiformflächen, diffraktiven Flächen und einem Immersionsmedium zwischen zwei diffraktiven Flächen möglich. Nachfolgend wird beschrieben, wie durch geeignete Wahl des Materials für die optischen Komponenten 3, 5 des Wellenfrontmanipulators aus 1 und durch die geeignete Wahl eines Immersionsmediums die Achromasiebedingung erfüllt werden kann. Als Immersionsmedien kommen hierbei insbesondere Flüssigkeiten oder Optokitte in Betracht, wobei bei der Verwendung von Flüssigkeiten eine elastische Manschette um den Umfang des Wellenfrontmanipulator 1 herum angeordnet ist, um diesen abzudichten.
• Die Wirkung des Wellenfrontmanipulators 1 mit Immersionsmedium ist für zwei Wellenlängen λ₁ und λ₂ exakt identisch, wenn die Bedingung

  

  exakt eingehalten ist, wobei n₁ den Brechungsindex und ν₁ die Abbesche Zahl des Materials der optischen Komponenten 3, 5 bezeichnen und wobei n₂ den Brechungsindex und ν₂ die Abbesche Zahl des Immersionsmediums bezeichnen. Beispielsweise verschwindet in diesem Fall der Farblängsfehler eines als Variolinse ausgebildeten Wellenfrontmaipulators 1 exakt. Manche Autoren sprechen dann von einem „Dichromaten” bzw. „dichromatischer Korrektion”, was sprachlich präziser ist als „Achromat” bzw. „achromatische Korrektion” bezeichnet wird, sich aber in der Literatur nicht allgemein als Sprachgebrauch durchgesetzt hat. Die beiden Wellenlängen λ₁ und λ₂ sind dabei diejenigen Wellenlängen, auf die sich die beiden Abbeschen Zahlen als Nebenwellenlängen beziehen, wenn man, wie üblich, definiert:

  
• Manche Autoren bezeichnen die Abbezahl dann auch mit Angabe der beiden Nebenwellenlängen λ₁ und λ₂ im Index des Formelzeichens. Um hier nicht mit den Indizes 1 und 2 in Konflikt zu kommen, die sich im Rahmen der vorliegenden Beschreibung auf die beiden Medien (bspw. Glas und Immersionsflüssigkeit) beziehen, sind die Wellenlängen der größeren Klarheit wegen in Klammern dem Symbol für die Abbesche Zahl nachgestellt.
• Ein näherungsweise achromatischer Wellenfrontmanipulator 1, also ein Wellenfrontmanipulator, mit dem eine Wellenfrontmanipulation näherungsweise ohne Farbfehler herbeigeführt werden kann, lässt sich bspw. erhalten, wenn die erste optische Komponente 3 und die zweite optische Komponente 5 aus demselben Material bestehen und das Material der optischen Komponenten 3, 5 und das Immersionsmedium die folgende Bedingung erfüllen:

  

  Dabei bezeichnen n₁ und ν₁ den Brechungsindex bzw. die Abbesche Zahl des Materials der optischen Komponenten 3, 5 und n₂ und ν₂ den Brechungsindex bzw. die Abbesche Zahl des Immersionsmediums. Das Erfüllen der oben genannten Ungleichung führt zu einem zumindest näherungsweise achromatischen Wellenfrontmanipulator mit verringerten Farbfehlern, der in einigen Anwendungsfällen bereits als ausreichend achromatisch erachtet werden kann. Um eine für eine große Anzahl von Anwendungsfällen brauchbare Achromatisierung zu erhalten, ist es jedoch vorteilhaft, wenn die strengere Ungleichung

  

  erfüllt ist. Wenn ein besonders hochwertiger achromatischer Wellenfrontmanipulator 1 geschaffen werden soll, sollte die noch strengere Ungleichung

  

  erfüllt sein.
• Der beschriebene achromatische Wellenfrontmanipulator 1 kann insbesondere als achromatische Linse mit variabler Brechkraft, also als achromatische Variolinse, ausgestaltet sein, wenn die Freiformflächen der optischen Elemente zum Beeinflussen des parabolischen Anteils der Wellenfront ausgelegt sind.
• Durch geeignete Wahl der Form der Freiformflächen 11, 13 kann aber auch jede beliebige Wellenfrontmanipulation bei der Grundwellenlänge herbeigeführt werden, ohne nennenswerte Farbfehler zu generieren. Der Grad, bis zu dem Farbfehler vermieden werden, hängt dabei davon ab, wie groß die in der obigen Ungleichung einzuhaltenden Grenzen gewählt sind.
• Analog zur Bedingung für die Erzielung achromatischer (bzw. dichromatischer) Korrektion des Wellenfrontmanipulators lässt sich auch eine entsprechende Bedingung für apochromatische Korrektion (auch trichromatische Korrektion genannt) und eine explizite Bedingung für das Verschwinden des sekundären Spektrums aufstellen Die Bedingung für Trichromasie lässt sich beispielsweise bei Kombination von zwei erfindungsgemäßen Variolinsen (mit je zwei zueinander bewegbaren Freiformelementen und je einer eingeschlossenen „Immersionslinse”) leicht erfüllen und hat als eine vorteilhafte Auslegung des Wellenfrontmanipulators insofern auch hohe Relevanz.
• Mit einem erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator 1, wie er in 1 dargestellt ist, und einem Immersionsmedium lässt sich ein Farbfehler, insbesondere der Farblängsfehler, aber nicht nur gezielt auf Null setzen, um eine Achromatisierung zu erreichen, sondern der Wellenfrontmanipulator 1 kann bei anderer Wahl der optischen Medien beispielsweise auch so ausgebildet werden, dass ein definierter Farbfehler für Rand- oder Nebenwellenlängen des transmittierten Wellenlängenbereiches generiert wird. Ohne weitere Maßnahmen wird dabei in der Regel gleichzeitig eine definierte Brechkraftänderung, also eine definierte Defokussierung, für eine mittlere Wellenlänge des transmittierten Wellenlängenbereiches herbeigeführt. In manchen Anwendungsfällen kann dies hingenommen werden. Häufig ist es jedoch wünschenswert, einen definierten Farbfehler für Rand- oder Nebenwellenlängen des transmittierten Wellenlängenbereiches zu generieren, ohne dabei für die mittlere Wellenlänge einen Defokus herbeizuführen. Dies ist mit einem Wellenfrontmanipulator gemäß der in 1 dargestellten Ausführungsform unter Verwendung eines Immersionsmediums zwischen den optischen Komponenten 3, 5 möglich, wenn die erste optische Komponente 3 und die zweite optische Komponente 5 aus demselben Material bestehen und das Material der optischen Komponenten 3, 5 und das Immersionsmedium die folgenden Bedingungen erfüllen: |n₁ – n₂| ≤ 0,05 |ν₁ – ν₂| ≥ 5
• Dabei bezeichnen n₁ und ν₁ den Brechungsindex bzw. die Abbesche Zahl des Materials der optischen Komponenten 3, 5 und n₂ und ν₂ den Brechungsindex bzw. die Abbesche Zahl des Immersionsmediums. Ein Wellenfrontmanipulator 1, der die genannten Ungleichungen erfüllt, stellt
  einen Wellenfrontmanipulator zum gezielten Beeinflussen der chromatischen Variation des Wellenfronteingriffs dar.
• Je geringer der Unterschied zwischen dem Brechungsindex n₁ des Materials der optischen Komponenten 3, 5 und dem Brechungsindex n₂ des Immersionsmediums ausfällt (im Idealfall ist n₁ = n₂), desto weniger ändert sich die Fokuslage bei der mittleren Wellenlänge bei Einstellung eines vorgegebenen Farbfehlers. Je mehr sich hierbei die Dispersionseigenschaften beschreibende Abbezahl ν₁ des Materials der optischen Komponenten 3, 5 von der Abbezahi ν₂ des Immersionsmediums unterscheidet, desto kleiner können die gegenläufigen Drehbewegungen und desto flacher können die Freiformprofile, die zur Erzielung einer vorgegebenen chromatischen Variation des Elements nötig sind, ausfallen. Es ist daher vorteilhaft, wenn statt der obigen Bedingung die strengere Bedingung |n₁ – n₂| ≤ 0,01 |ν₁ – ν₂| ≤ 0,01 erfüllt ist. Besonders vorteilhaft ist es, wen die noch strengere Bedingung |n₁ – n₂| ≤ 0,002 |ν₁ – ν₂| ≤ 15 erfüllt ist.
• Die vorliegende Erfindung wurde zu Illustrationszwecken anhand konkreter Beispiele näher erläutert. Wie auch bereits im Text erwähnt worden ist, kann von diesen Ausführungsbeispielen jedoch auch abgewichen werden, so dass die vorliegende Erfindung nicht durch die einzelnen Ausführungsbeispiele eingeschränkt sein soll, sondern lediglich durch die angehängten Ansprüche.
• Bezugszeichenliste

1

Wellenfrontmanipulator

3

optische Komponente

5

optische Komponente

7

optische Fläche

9

optische Fläche

11

Freiformfläche

13

Freiformfläche

21

Wellenfrontmanipulator

23

optische Komponente

25

optische Komponente

27

optische Komponente

29

festbrennweitige Linsengruppe

31

planparallele Glasplatte

33

planparallele Glasplatte

35

Wellenfrontmanipulator

37

optische Komponente

39

optische Komponente

40

Objektpunkt

41

Objektiv

43

Tubuslinsensystem

45

Bildebene

47

vordere positive Linsengruppe

49

mittlere positive Linsengruppe

51

Negativlinse

53

hintere positive Linsengruppe

55

Luftraum

57

Wellenfrontmanipulator

59

optische Komponente

61

optische Komponente

63A, B

Hauptbeobachterpupille

65A, B

Mitbeobachterpupille

67

Fläche

69

Kittglied

71

Kittglied

73

Wellenfrontmanipulator

75

optische Komponente

77

optische Komponente

81

Wellenfrontmanipulator

83

optische Komponente

85

optische Komponente

87

diffraktive Fläche

89

diffraktive Fläche

91

Freiformfläche

93

Freiformfläche

101

Wellenfrontmanipulator

103

optische Komponente

105

optische Komponente

107

Immersionsmedium

111

Freiformfläche

113

Freiformfläche

BL

Blende

DA

Drehachse

OA

Optische Achse

SB

Strahlenbündel

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• US 3305294 [0002, 0004, 0081]
• DE 102011054087 [0004]
• DE 102011055777 [0034]
• DE 102008011608 A1 [0115]
• Zitierte Nicht-Patentliteratur
• I. M. Barton et al. „Diffractive Alvarez Lens” Optics Letters 2000 (25), Seiten 1–3 [0003]
• Appl. Opt. Vol. 9, No 7, (1970), p. 1669–1671 [0080]

Claims (17)

1. Wellenfrontmanipulator (1, 21, 35, 57, 73, 81, 101) mit wenigstens einer ersten optischen Komponente (7, 25, 37, 59, 75, 83, 103) und einer zweiten optischen Komponente (9, 27, 39, 61, 77, 85, 105), die entlang einer optischen Achse (OA) hintereinander angeordnet sind, wobei die erste optische Komponente (7, 25, 37, 59, 75, 83, 103) und die zweite optische Komponente (9, 27, 39, 61, 77, 85, 105) relativ zueinander bewegbar angeordnet sind und wobei die erste optische Komponente (7, 25, 37, 59, 75, 83, 103) und die zweite optische Komponente (9, 27, 39, 61, 77, 85, 105) jeweils mindestens eine optische Fläche aufweisen, die als Freiformfläche (11, 13, 87, 89, 91, 93, 111, 113) mit einem refraktiven oder diffraktiven Freiformprofil ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste optische Komponente (7, 25, 37, 59, 75, 83, 103) und die zweite optische Komponente (9, 27, 39, 61, 77, 85, 105) derart relativ zueinander bewegbar angeordnet sind, dass sie gegenläufig um eine zur optischen Achse (OA) senkrechte Drehachse (DA) drehbar sind.
2. Wellenfrontmanipulator (1, 21, 35, 57, 73, 81, 101) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Flächen der ersten optischen Komponente (7, 25, 37, 59, 75, 83, 103) und der zweiten optischen Komponente (9, 27, 39, 61, 77, 85, 105) jeweils eine Grundkrümmung aufweisen und die Freiformflächen (11, 13, 87, 89, 91, 93, 111, 113) durch den Grundkrümmungen überlagerte Freiformprofile gebildet sind.
3. Wellenfrontmanipulator (1, 21, 35, 57, 73, 81, 101) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass optischen Flächen, die entlang der optischen Achse (OA) hintereinander angeordnet sind, Grundkrümmungen mit zunehmenden oder abnehmenden Krümmungsradien aufweisen und die Freiformprofile von Freiformflächen (11, 13, 87, 89, 91, 93, 111, 113) an optischen Flächen mit größeren Krümmungsradien gegenüber den Freiformprofilen von Freiformflächen (11, 13, 87, 89, 91, 93, 111, 113) an optischen Flächen mit kleineren Krümmungsradien in Ausdehnungsrichtung der optischen Fläche um einen Skalierungsfaktor gestreckt sind.
4. Wellenfrontmanipulator (1, 21, 35, 57, 73, 81, 101) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Skalierungsfaktor durch das Verhältnis der Einfallshöhen von Randstrahlen auf die jeweiligen optischen Flächen gegeben ist.
5. Wellenfrontmanipulator (21) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu der ersten optischen Komponente (23) und der zweiten optischen Komponente (25) wenigstens eine der zweiten optischen Komponente (25) entlang der optischen Achse (OA) nachgeordnete dritte optische Komponente vorhanden (27) ist, wobei die dritte optischen Komponente (27) derart angeordnet ist, dass sie sich bei einer Drehung der ersten optischen Komponente (23) um die Drehachse (DA) zusammen mit der ersten optischen Komponente (23) in dieselbe Richtung wie die erste optische Komponenten (23) dreht.
6. Wellenfrontmanipulator (21) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Komponenten (23, 25, 27) an ihren einander zugewandten optischen Flächen mit Freiformprofilen versehen sind, wobei – die Freiformprofile der einander zugewandten optischen Flächen der ersten optische Komponente (23) und der zweiten optische Komponente (25) identisch sind, – die Freiformprofile der einander zugewandten optischen Flächen der zweiten optische Komponente (25) und der dritten optische Komponente identisch (27) sind und – die zueinander identischen Freiformprofile der ersten und der zweiten optischen Komponente komplementär zu den zueinander identischen Freiformprofilen der zweiten und der dritten optischen Komponente ausgebildet sind.
7. Wellenfrontmanipulator (101) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen zwei der optischen Komponenten (103, 105) ein die beiden Komponenten (103, 105) kontaktierendes Immersionsmedium (107) befindet.
8. Wellenfrontmanipulator (101) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden optischen Komponenten (103, 105) aus demselben Material bestehen und das Material der optischen Komponenten (103, 105) und das Immersionsmedium (107) die folgende Bedingung erfüllen:

   

   wobei n₁ den Brechungsindex und ν₁ die Abbesche Zahl des Materials der optischen Komponenten (103, 105) bezeichnen und wobei n₂ den Brechungsindex und ν₂ die Abbesche Zahl des Immersionsmediums (107) bezeichnen.
9. Wellenfrontmanipulator (101) nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden optischen Komponenten (103, 105) aus demselben Material bestehen und das Material der optischen Komponenten (103, 105) und das Immersionsmedium (107) die folgenden Bedingungen erfüllen: |n₁ – n₂| ≤ 0,05, |ν₁ – ν₂| ≥ 5, wobei n₁ den Brechungsindex und ν₁ die Abbesche Zahl des Materials der optischen Komponenten (103, 105) bezeichnen und wobei n₂ den Brechungsindex und ν₂ die Abbesche Zahl des Immersionsmediums (107) bezeichnen.
10. Wellenfrontmanipulator (81) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der refraktiven Freiformfläche (91) der ersten Komponente (83) eine erste diffraktive Struktur (87) zugeordnet ist und der refraktiven Freiformfläche (93) der zweiten Komponente (85) eine zweite diffraktive Struktur (89) zugeordnet ist, wobei die zugeordneten diffraktiven Strukturen (87, 89) eine wellenlängenabhängige Wirkung der jeweiligen refraktiven Freiformfläche (91, 93) beeinflussen.
11. Wellenfrontmanipulator (81) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass – die Form einer refraktiven Freiformfläche (91, 93) jeweils durch eine Polynomentwicklung beschrieben wird, die in endlich vielen bestimmten Polynomordungen von Null verschiedene Entwicklungskoeffizienten aufweist, – die einer refraktiven Freiformfläche (91, 93) zugehörige diffraktive Struktur (87, 89) durch eine Polynomentwicklung beschrieben wird, die in denselben Polynomordnungen wie die Polynomentwicklung der refraktiven Freiformfläche (91, 93) von Null verschiedene Entwicklungskoeffizienten aufweist, und – diejenigen Entwicklungskoeffizienten einer eine refraktive Freiformfläche (91, 93) beschreibenden Polynomentwicklung und der die zugehörige diffraktive Struktur (87, 89) beschreibenden Polynomentwicklung, welche jeweils derselben Polynomordnung zugeordnet sind, in einem festen funktionalen Zusammenhang zueinander stehen.
12. Wellenfrontmanipulator (81) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der funktionale Zusammenhang von dem in der jeweiligen optischen Komponente verwendeten Material abhängt.
13. Wellenfrontmanipulator nach einem der Ansprüche 7 bis 9 und einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die erste optische Komponente und die zweite optische Komponente aus demselben Material bestehen, das Material der optischen Komponenten und das Immersionsmedium Brechungsindizes aufweisen, deren Differenz eine lineare Funktion der Wellenlänge ist, und das Material/Medium mit dem niedrigeren Brechungsindex eine höhere Dispersion aufweist als das Material/Medium mit dem höheren Brechungsindex.
14. Optisches System mit einem Wellenfrontmanipulator (1, 21, 35, 57, 73, 81, 101) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei sich der Wellenfrontmanipulator (1, 21, 35, 57, 73, 81, 101) im konvergenten oder divergenten Strahlengang befindet.
15. Optisches System nach Anspruch 14, in dem der Wellenfrontmanipulator das objektseitig führende optisch wirksame Element ist, wobei die optischen Flächen des Wellenfrontmanipulators Grundkrümmungen mit solchen Krümmungsradien aufweisen, dass ihre Krümmungsmittelpunkte mit dem axialen Objektpunkt zusammenfallen.
16. Optisches System nach Anspruch 14, in dem der Wellenfrontmanipulator (21) das bildseitig abschließende optisch wirksame Element ist, wobei die optischen Flächen des Wellenfrontmanipulators (21) Grundkrümmungen mit solchen Krümmungsradien aufweisen, dass ihre Krümmungsmittelpunkte mit dem axialen Bildpunkt zusammenfallen.
17. Optisches System nach einem der Ansprüche 14 bis 16, in dem eine Systempupille (62) vorhanden ist, die im oder unmittelbar angrenzend an den Wellenfrontmanipulator angeordnet ist.

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