DE102021121562A1 - Wellenfrontmanipulator und optisches Gerät - Google Patents

Abstract

Es wird ein Wellenfrontmanipulator (1) mit mindestens einer ersten optischen Komponente (2) und einer zweiten optischen Komponente (3), die entlang einer Bezugsachse (9) hintereinander angeordnet sind, wobei die erste optische Komponente (2) und die zweite optische Komponente (3) in einer Ebene senkrecht zur Bezugsachse (9) relativ zueinander bewegbar angeordnet sind, beschrieben. Die erste optische Komponente (2) und die zweite optische Komponente (3) umfassen jeweils ein erstes optisches Element (4) mit mindestens einer Freiformfläche (6, 26), einer Brechzahl n1und einer Abbe-Zahl v1und ein zweites optisches Element (5) mit mindestens einer Freiformfläche (6, 26), einer Brechzahl n2und einer Abbe-Zahl v2, welche entlang der Bezugsachse (9) hintereinander angeordnet sind, wobei sich die Abbe-Zahlen v1und v2voneinander unterscheiden (v1≠ v2).

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wellenfrontmanipulator mit wenigstens einer ersten optischen Komponente und einer zweiten optischen Komponente, die entlang einer Bezugsachse hintereinander angeordnet sind, wobei die erste optische Komponente und die zweite optische Komponente senkrecht zur Bezugsachse relativ zueinander bewegbar angeordnet sind. Daneben betrifft die Erfindung eine Verwendung des Wellenfrontmanipulators sowie ein optisches Gerät mit einem Wellenfrontmanipulator.
• In US 3 305 294 A1 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 daher 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.
• In dem Dokument I. A. Palusinski et al., Lateral-shift variable aberration generators, Applied Optics Vol. 38 (1999) S. 86-90 [1] ist ein variabler monochromatischer Wellenfront-Manipulator für eine Wellenlänge λ₀, welcher aus zwei baugleichen Platten aus einem Material mit Brechzahlverlauf n(λ) mit jeweils einer Freiformfläche besteht, deren Oberflächenform durch eine Oberflächenfunktion T(x,y) beschrieben wird, offenbart. Beide Platten können um verschiedene Verschiebewege α senkrecht zur z-Achse in x- und/oder y-Richtung bewegt werden, wobei die z-Achse die optische Achse darstellt. Es werden verschiedene Oberflächenfunktionen T(x, y), welche zur Aufprägung verschiedener Wellenfrontdeformationen W_α,λ(x,y) auf eine einfallende Lichtwelle geeignet sind, beschrieben. So können auf eine einfallende Wellenfront Deformationen wie Tilt, Defokus, Astigmatismus, Koma, sphärische Aberration etc. aufgeprägt werden.
• Der monochromatische Wellenfront-Manipulator gemäß Referenz [1] erzeugt für polychromatische Optiksysteme im Wellenlängenbereich λ_min < λ < λ_max eine Wellenfrontdeformation W_α,λ(x,y), welche vom Verschiebeweg α sowie der Wellenlänge 2 abhängig ist, wobei die Abhängigkeit von der Wellenlänge λ durch den Brechzahlverlauf n(λ) des Plattenmaterials vorgegeben ist. In den meisten spektral breitbandigen Anwendungen führt diese Abhängigkeit zu unerwünschten Farbfehlern, so dass dort der Wellenfront-Manipulator nicht einsetzbar ist.
• In den Dokumenten DE 10 2014 118 383 A1 und WO 2013/120800 A1 wird ein Wellenfrontmanipulator beschrieben, welcher wenigstens zwei optische Komponenten, die gegenläufig zueinander senkrecht zur optischen Achse des Objektives verschiebbar angeordnet sind und jeweils wenigstens eine Freiformfläche aufweisen, umfasst. Die optischen Komponenten können Freiformflächen aufweisen und zwischen ihnen kann sich ein Immersionsmedium befinden. Es ist ein polychromatischer Wellenfront-Manipulator beschrieben, welcher den gleichen Grundaufbau wie der Wellenfront-Manipulator aus Referenz [1] hat, wobei jedoch zwischen den Platten anstelle von Luft eine Flüssigkeit verwendet wird. Der Brechzahlverlauf dieser Flüssigkeit wird in einer Variante derart an den Brechzahlverlauf des Plattenmaterials n(λ) angepasst, dass die Abhängigkeit der Wellenfrontdeformation W_α,λ(x,y) von der Brechzahl n(λ) und damit von der Wellenlänge λ von der Flüssigkeit kompensiert wird. Auf diese Weise kann beispielsweise ein Farblängsfehler korrigiert werden. In einer anderen Variante ist der Wellenfrontmanipulator dafür ausgelegt, bei einer fest vorgegebenen Grundwellenlänge keine Wellenfrontdeformation zu bewirken, sondern lediglich in den Nebenwellenlängen. Es wird also nur eine chromatische (=wellenlängenabhängige) Änderung eines Wellenfrontterms bewirkt. In diesem Fall ist der Brechzahlverlauf der Immersions-Flüssigkeit derart angepasst, dass er für die Grundwellenlänge möglichst exakt mit dem des Plattenmaterials übereinstimmt und lediglich für die Nebenwellenlängen eine definierte Abweichung aufweist.
• Der polychromatische Wellenfront-Manipulator gemäß DE 10 2014 118 383 A1 und WO 2013/120800 A1 hat den Nachteil, dass sich eine Flüssigkeit zwischen den Platten befindet. Der Brechzahlverlauf der Flüssigkeit sowie deren Transparenz sollten sich während der Produktlebensdauer nicht ändern, sodass entsprechende Anforderungen an die Flüssigkeit zu stellen sind. Weiterhin sollte der Manipulator nur in einem Temperaturbereich betrieben werden, bei dem die Flüssigkeit im flüssigen Aggregatzustand bleibt. Um ein Auslaufen der Flüssigkeit während der Produktlebensdauer zu verhindern, muss ein hoher konstruktiver Aufwand betrieben werden, der zu Kosten und erhöhten Bauraumanforderungen führt. Aus diesen Gründen ist die Verwendung von polychromatischen Wellenfront-Manipulatoren gemäß WO 2013/120800 A1 eingeschränkt. Nachteilig ist zudem, dass die Verwendung von Immersionsmedien in vielen Gerätekonzepten, insbesondere im medizinischen Bereich, problematisch ist und aufwendige technische Lösungen zum Einschluss der Immersionsflüssigkeit zwischen den Glasplatten und zur dauerhaften Versiegelung der Komponenten erforderlich macht. Ferner ist lediglich der Wellenfrontmanipulator als Ganzes durch die überlagerte Wirkung der ausgelenkten Glaselemente und der eingeschlossenen Immersionslinse achromatisiert. Dies schließt aber bestimmte verallgemeinerte Konzepte für den Aufbau von Wellenfrontmanipulatoren aus, insbesondere bei denen lediglich einige von mehreren Freiformelementen bewegt werden und die übrigen fest stehen, beispielsweise Anordnungen mit drei oder mehr beweglichen Freiformplatten, bei denen lediglich eine Komponente bewegt wird.
• In dem Dokument DE 10 2011 055 777 B4 wird ein optisches Element mit wenigstens einer ersten Komponenten und einer zweiten optischen Komponente, die entlang einer optischen Achse hintereinander angeordnet sind, beschrieben, wobei die erste optische Komponente und die zweite optische Komponente jeweils in einer Bewegungsrichtung senkrecht zur optischen Achse relativ zueinander bewegbar angeordnet sind und vorbei die erste optische Komponente und die zweite optische Komponente jeweils mindestens eine Freiformfläche aufweisen. Dabei ist der refraktiven Freiformfläche der ersten Komponente eine erste diffraktive Struktur (DOE - diffraktives optisches Element) zugeordnet und der refraktiven Freiformfläche der zweiten Komponente eine zweite diffraktive Struktur zugeordnet. Die zugeordneten diffraktiven Strukturen beeinflussen eine Wellenlängen abhängige Wirkung der jeweiligen refraktiven Freiformfläche und sind derart auf die jeweilige Freiformfläche abgestimmt, dass die Beeinflussung der Wellenlängen abhängigen Wirkung einer Kompensation der Wellenlängen abhängigen Wirkung der jeweiligen Wirkung der refraktiven Freiformfläche ist. Nachteilig ist allerdings die schwierige Herstellung der hybriden Elemente mit einer Freiform-Basisfläche und darin zusätzlich eingeprägter diffraktiver Struktur. Außerdem weisen diffraktive Strukturen, auch wenn sie als sogenannte effizienz-achromatisierte DOEs ausgeführt sind, immer auch Streulicht aus unerwünschten Beugungsordnungen auf, das insbesondere bei nicht-perfekter Herstellung der DOE-Profile unvermeidbar ist und für alle streulichtkritischen Anwendungen ein Ausschlusskriterium darstellt.
• In den Zoom-Optiken mit einem Wellenfront-Manipulator gemäß US 10 082 652 B2 bestehen die verwendeten Wellenfront-Manipulatoren aus Platten aus nur einem Material, welches eine wellenlängenabhängige Brechzahl n(λ) aufweist. Damit ist klar, dass die Wellenfrontdeformationen W_a,λ(x,y) eine starke Abhängigkeit von der Wellenlänge aufweisen, welche sich in den Zoom-Optiken als Farblängsfehler und als Farbquerfehler bemerkbar machen. Somit ist die Abbildungsqualität dieser Zoom-Optiken stark eingeschränkt. Andererseits ist es nicht möglich, Wellenfront-Manipulatoren gemäß US 10 082 652 B2 zu realisieren, bei denen die Wellenfrontdeformation W_α,λ(x,y) eine besonders große Abhängigkeit von der Wellenlänge λ hat. Dies kann beispielsweise nützlich sein, um Farbfehler anderer Optikkomponenten zu kompensieren. Die Verwendung nur eines Materials auf einer Platte des Wellenfront-Manipulators schränkt somit die Anwendbarkeit des Zoom-Konzepts bei Kameras stark ein, welche in einem ganzen Spektrum eine gute Abbildungsleistung erfordern.
• Grundsätzlich werden für vielfältige Anwendungen, beispielsweise in Foto- oder Filmobjektiven zur Realisierung einer Zoomfunktionalität, aber auch im Zusammenhang mit Mikroskopen oder anderen optischen Anwendungen zunehmend Linsen mit variabler Brechkraftwirkung eingesetzt. Hierbei ist es erwünscht, dass eine über den kompletten Einstellbereich der Brechkraftwirkung hinweg eine nahezu wellenlängenunabhängige (achromatische) Brechkraftwirkung bereitgestellt ist. Dabei hat sich im Zusammenhang mit streulichtkritischen Anwendungen die Verwendung von diffraktiven Strukturen als ungünstig herausgestellt.
• Es ist daher eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen vorteilhaften Wellenfrontmanipulator mit wenigstens einer ersten optischen Komponente und einer zweiten optischen Komponente, die entlang einer Bezugsachse hintereinander angeordnet sind und senkrecht zur optischen Achse relativ zueinander bewegbar sind, zur Verfügung zu stellen. Es ist eine zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein vorteilhaftes optisches Gerät zur Verfügung zu stellen. Eine dritte Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine vorteilhafte Verwendung für den erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator anzugeben.
• Die erste Aufgabe wird durch einen Wellenfrontmanipulator nach Anspruch 1 gelöst, die zweite Aufgabe durch ein optisches Gerät nach Anspruch 14 und die dritte Aufgabe durch eine Verwendung eines Wellenfrontmanipulators gemäß Anspruch 15. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
• Ein erfindungsgemäßer Wellenfrontmanipulator umfasst mindestens eine erste optische Komponente und eine zweite optische Komponente. Die erste optische Komponente und die zweite optische Komponente sind entlang einer Bezugsachse hintereinander angeordnet. Weiterhin sind die erste optische Komponente und die zweite optische Komponente in einer Bewegungsrichtung senkrecht zur Bezugsachse relativ zueinander bewegbar angeordnet. Dabei können entweder die erste optische Komponente oder die zweite optische Komponente in Bezug auf die jeweils andere optische Komponente bewegbar angeordnet sein. Vorzugsweise sind beide optische Komponenten in mindestens einer Bewegungsrichtung in einer Ebene senkrecht zur Bezugsachse bewegbar angeordnet.
• Optische Komponenten im Sinne der vorliegenden Erfindung stellen separate, durch eine definierte Außenoberfläche begrenzte Bauteile dar, welche bevorzugt einen festen Aggregatzustand aufweisen.
• Unter der Bezugsachse wird im vorliegenden Zusammenhang eine Achse, zum Beispiel eine z-Achse eines kartesischen oder zylindrischen Koordinatensystems, verstanden, bezüglich derer die durch den Wellenfrontmanipulator bewirkte Deformation der Wellenfront-Profile definiert ist. Mit anderen Worten ist die Bezugsachse die Achse, bezüglich derer die durch den Wellenfrontmanipulator vorgesehene Deformation der Wellenfront-Profile erfolgt. Insbesondere kann die Bezugsachse parallel zu einer Normale einer Ebene verlaufen, in welcher die erste optische Komponente und die zweite optische Komponente zueinander bewegbar sind. Die Bezugsachse kann parallel zu einer optischen Achse verlaufen oder mit dieser zusammenfallen, welche durch eine den Wellenfrontmanipulator umfassende rotationssymmetrische Optik definiert ist. Die Bezugsachse kann auch relativ zu einer Bezugsachse eines Optikaufbaus, in dem der Wellenfrontmanipulator verwendet wird, ausgerichtet sein. Dabei kann eine Bezugsachse des Optikaufbaus so gewählt werden, dass sie einer optischen Achse entspricht.
• Die erste optische Komponente und die zweite optische Komponente umfassen jeweils ein erstes und mindestens ein weiteres optisches Element, also mindestens zwei optische Elemente. Die erste optische Komponente und die zweite optische Komponente umfassen jeweils ein erstes optisches Element mit mindestens einer Freiformfläche, einer Brechzahl n₁ und einer Abbe-Zahl v₁ und ein zweites optisches Element mit mindestens einer Freiformfläche, einer Brechzahl n₂ und einer Abbe-Zahl v₂. Das erste optische Element und das zweite optische Element sind entlang der Bezugsachse hintereinander angeordnet. Die Abbe-Zahlen v₁ und v₂ unterscheiden sich voneinander (v₁ ≠ v₂). Die beschriebene Ausgestaltung hat den Vorteil, dass zum Erreichen der in DE 10 2014 118 383 A1 genannten Effekte kein Immersionsmedium erforderlich ist und folglich die eingangs beschriebenen Einschränkungen im Zusammenhang mit der Verwendung eines Immersionsmediums vermieden werden.
• In einer ersten Variante der Erfindung ist der Betrag der Differenz des Quotienten aus der Brechzahl n₁ vermindert um 1 und der Abbe-Zahl v₁ des ersten optischen Elements und des Quotienten aus der Brechzahl n₂ vermindert um 1 und der Abbe-Zahl v₂ des zweiten optischen Elements geringer als ein festgelegter Grenzwert $\text{G}:\left|\frac{n_1-1}{v_1}-\frac{n_2-1}{v_2}\right|\le G.$

  

  Vorzugsweise beträgt der Grenzwert G höchstens 0,01, insbesondere höchstens 0,005 und bevorzugt höchstens 0,001. Auf diese Weise können jeweils einzeln achromatisierte optische Komponenten im Rahmen des erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulators nutzbringend verwendet werden.
• Der erfindungsgemäße Wellenfrontmanipulator dieser Variante hat den Vorteil, dass zum Erreichen einer wellenlängenunabhängigen, also achromatischen, Brechkraftwirkung keine diffraktiven Strukturen und auch keine Immersionsmedien, Flüssigkeiten, etc. erforderlich sind. Die verwendeten einzelnen optischen Komponenten sind jeweils achromatisiert, so dass sich der Wellenfrontmanipulator überall dort einsetzen lässt, wo ein wellenlängenunabhängig wirkender Manipulator für eine beliebige aber feste Linearkombination von Zernike-Thermen einer Wellenfront bereit gestellt werden soll. Darüber hinaus ergeben sich Anwendungen dort, wo Linsen variabel einstellbarer Brechkraft für einen großen Spektralbereich benötigt werden, also beispielsweise in Foto- oder Filmobjektiven zur Realisierung einer Zoom-Funktionalität. Speziell kommen hier insbesondere ZoomObjektive für Smartphones mit der Anforderung einer besonders flachen Bauweise in Betracht, da die Erfindung in Richtung der optischen Achse besonders flache Ausführungsformen einer achromatischen Variolinse ermöglicht. Weiterhin sind vorteilhafte Anwendungen im Zusammenhang mit achromatischen Variolinsen in Anordnungen für einen schnellen Z-Scan und bei einer dreidimensionalen Bildstabilisierung möglich.
• Anwendungen für einen erfindungsgemäßen achromatischen Wellenfrontmanipulator sind überall da gegeben, wo eine Grundoptik mit mindestens einem variabel einstellbaren Freiheitsgrad über den Verstellbereich hinweg veränderliche Werte eines Bildfehlers aufweist. Dieser Bildfehler kann dann durch den erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator über den gesamten Verstellbereich hinweg gezielt gegenkompensiert werden, ohne dass dabei als unerwünschte Nebenwirkung Farbfehler auftreten. Anwendungsbeispiele sind wiederum Zoomobjektive aller Art, sowie im Bereich der Mikroskopie zur Korrektion sämtlicher variabler Einflussgrößen des Trennschichtensystems (z.B. Deckglas im schrägen Durchtritt).
• In einer zweiten Variante der Erfindung überschreitet der Betrag der Differenz der Abbe-Zahlen v₁ und v₂ einen festgelegter Grenzwert V nicht, |v₁ - v₂| ≥ V. Der Grenzwert des Betrages der Differenz der Abbe-Zahl V kann mindestens 5, vorzugsweise mindestens 10, besonders vorteilhafterweise mindestens 15, betragen. Vorzugsweise unterscheiden sich in dieser Variante der Erfindung nur die Abbe-Zahlen der mindestens zwei optischen Elemente und gleichzeitig die Brechzahlen möglichst wenig (idealerweise gar nicht).
• Die vorliegende Erfindung löst in der zweiten Variante die Aufgabe, einen Wellenfrontmanipulator mit variabel einstellbaren chromatischen Variationen eines oder mehrerer Wellenfrontfehler bereitzustellen. Chromatische Fehler durch Variolinsen manifestieren sich bei ihrer Verwendung in einem optischen System je nach Anordnung im Strahlengang entweder vorwiegend als Farblängsfehler (bei pupillennaher Anordnung) oder als chromatische Vergrößerungsdifferenz bzw. Farbquerfehler (feldnahe Anordnung) der Abbildung. In anderen Positionen können auch andere Bildfehler, wie beispielsweise Koma oder Astigmatismus, auf wellenlängenabhängige Weise beeinflusst werden, sodass sich beispielsweise chromatische Variation von Astigmatismus oder chromatische Koma als Bildfehler ergeben können.
• Ein erfindungsgemäßer Wellenfrontmanipulator kann beispielsweise zur gezielten Kompensation wellenlängenabhängiger Fokusfehler (Farblängsfehler) in optischen Systemen eingesetzt werden. Beispielsweise erzeugen thermisch-induzierte oder anderweitig verursachte Brechzahlschwankungen in optischen Medien häufig Änderungen in der Systembrechkraft, die eine starke Wellenlängenabhängigkeit aufweisen. Während die Brechkraftänderung bei einer mittleren Wellenlänge meist durch einen bekannten Defokuskompensator (Schiebelinse, Änderung eines Luftraumes etc.) hinreichend gut kompensiert werden kann, verbleibt die Wellenlängenabhängigkeit der Defokussierung als anderweitig nicht zu kompensierender Restfehler. In diesem Grenzfall ist es mittels eines erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulators möglich, nur den Farblängsfehler zu beeinflussen und gerade keine Brechkraftänderung bei der Grundwellenlänge oder sonstige monochromatische Wellenfrontänderung zu verursachen.
• Die beiden bislang genannten Varianten stellen letztlich Grenzfälle dar. Kombinationen aus der ersten und zweiten Variante der Erfindung sind dahingehend möglich, dass die Erfindung auch dazu genutzt werden kann, einen Wellenfrontmanipulator bereitzustellen, der einerseits gezielt definierte Beträge eines bestimmten monochromatischen Wellenfronteingriffs mit einer definierten chromatischen Änderung des selben Wellenfrontterms verbindet. Hierfür gibt es Anwendungen im Bereich der Mikroskopie, wo sich häufig die Aufgabe stellt, die durch Variationen einer Deckglasdicke oder die durch Variationen eines Brechungsindex eines Immersionsmediums auftretenden Wellenfrontfehler zu kompensieren. Bereits eine einfache Umfokussierung eines hochaperturigen Mikroskopobjektivs auf eine andere Objektebene durch Verstellen des Objekttisches relativ zum Mikroskop erzeugt induzierte Bildfehler am Mikroskopobjektiv, die bei einer mittleren Wellenlänge vorherberechenbare Beträge aufweisen und die gleichzeitig ebenfalls eine definierte und vorab zu berechnende chromatische Abhängigkeit aufweisen. Es ist möglich, den erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator so auszulegen, dass er für einen vorgegebenen Bildfehlertyp (Zernike-Term) gleichzeitig eine definierte Wellenfrontänderung bei der Grundwellenlänge und eine definierte spektrale Änderung des selben Bildfehlertyps über den Wellenlängenbereich hinweg erzeugt.
• Zum Beispiel entstehen bei einem Mikroskop bei Änderung einer Deckglasdicke auf der optischen Achse hohe Beträge an sphärischer Aberration, die eine vorher bekannte (d.h. nach dem vorliegenden Objektivdesign zu berechnende) wellenlängenabhängige Änderung aufweist. Ein erfindungsgemäßer Wellenfrontmanipulator kann hier derart ausgelegt werden können, dass genau die zur Kompensation benötigten Beträge der sphärischen Aberration bei der Grundwellenlänge und genau die benötigte wellenlängenabhängige Änderung der sphärischen Aberration über den Wellenlängenbereich hinweg bereitgestellt werden. Weiterhin ist eine Anwendung der Erfindung als zusätzliches Kompensationsglied für Zoomobjektive möglich. Hierbei kann eine Kompensation gewisser, abhängig von der Zoomstellung auftretender und mit anderen optischen Mitteln konventionell nicht korrigierbarer, Bildfehler durch einen erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator bewirkt werden.
• Vorzugsweise überschreitet der Betrag der Brechzahlen des ersten optischen Elements n₁ und des zweiten optischen Elements n₂ einen festgelegten Grenzwert N nicht, es gilt also |n₁ - n₂| ≤ N. Vorteilhafterweise beträgt der Grenzwert des Betrages der Differenz der Brechzahlen N höchstens 0,05, insbesondere 0,01 und vorzugsweise 0,002. Vorteilhafterweise beträgt gleichzeitig der Grenzwert des Betrages der Differenz der Abbe-Zahl V mindestens 5, vorzugsweise mindestens 10, besonders vorteilhaft mindestens 15.
• Zum Beispiel kann der Grenzwert N höchstens 0,05 (|n₁ - n₂| ≤ 0,05) und gleichzeitig der Grenzwert V mindestens 5 (|v₁ - v₂| ≥ 5) betragen. Bevorzugt beträgt der Grenzwert N höchstens 0,01 (|n₁ - n₂| ≤ 0,01) und gleichzeitig der Grenzwert V mindestens 10 (|v₁ - v₂| ≥ 10). Idealerweise gilt, dass der Grenzwert N höchstens 0,002 (|n₁ - n₂| ≤ 0,002) und gleichzeitig der Grenzwert V mindestens 15 (|v₁ - v₂| ≥ 15) beträgt.
• Vorzugsweise sind das erste optische Element und das zweite optische Element optisch transparent ausgestaltet und weisen einen festen Aggregatzustand auf. Bei der Herstellung der Elemente können zunächst flüssige oder viskoeleastische Materialien wie transparente Optokitte verwendet werden, welche aber im ausgehärteten Endzustand fest sind.
• Die optischen Elemente der einzelnen optischen Komponenten des erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulators sind entlang einer Bezugsachse hintereinander vorzugsweise unmittelbar miteinander verbunden angeordnet, also ohne einen Abstand oder Zwischenraum zwischen ihnen. Vorteilhafterweise weisen das erste und das zweite optische Element eine Kontaktoberfläche auf, welche vorzugsweise als Freiformfläche ausgestaltet ist. Das erste und das zweite optische Element können auch eine Außenoberfläche aufweisen, welche als Freiformfläche ausgestaltet ist, aber keine Kontaktfläche zu einem anderen optischen Element bildet.
• Unter einer Freiformfläche ist im weiteren Sinn eine komplexe Fläche zu verstehen, die sich insbesondere mittels gebietsweise definierter Funktionen, insbesondere zweimal stetig differenzierbarer gebietsweise definierter Funktionen darstellen lässt. Beispiele für geeignete gebietsweise definierte Funktionen sind (insbesondere stückweise) polynomiale Funktionen (insbesondere polynomiale Splines, wie z.B. bikubische Splines, höhergradige Splines vierten Grades oder höher, oder polynomiale nonuniform rational B-Splines (NURBS)). Hiervon zu unterscheiden sind einfache Flächen, wie z. B. sphärische Flächen, asphärische Flächen, zylindrische Flächen, torische Flächen, die zumindest längs eines Hauptmeridians als Kreis beschrieben sind. Eine Freiformfläche braucht insbesondere keine Achsensymmetrie und keine Punktsymmetrie aufzuweisen und kann in unterschiedlichen Bereichen der Fläche unterschiedliche Werte für den mittleren Flächenbrechwert aufweisen.
• In einer beispielhaften Variante umfasst der erfindungsgemäße Wellenfrontmanipulator eine erste und/oder zweite optische Komponente mit einem ersten optischen Element aus einem ersten optisch transparenten Material, das auf einer Seite plan ist, und das auf der zweiten Seite ein Freiformprofil aufweist, und einem dazu genau komplementären zweiten optischen Element aus einem zweiten optisch transparenten Material, das sich zusammen mit dem ersten optischen Element zu einer planparallelen Platte ergänzt, wobei das erste und das zweite optisch transparente Material die nachfolgend angegebene Bedingungsgleichung für Achromasie erfüllen. $$\frac{n_1-1}{v_1}-\frac{n_2-1}{v_2}=0$$

  
• Bei beiden Materialien kann es sich nun um im Endzustand feste Materialien wie beispielsweise Glas oder Optopolymere handeln, so dass kein Handling von Flüssigkeiten wie Immersionsölen etc. erforderlich ist. Besonders vorteilhaft hinsichtlich der Herstellung ist es, wenn das erste Material ein Glas und das zweite Material ein zunächst flüssiges Medium ist, welches in einem anschließenden Prozessschritt ausgehärtet wird. In diesem Falle ist lediglich ein einzelner profilformender Herstellungsprozess für das erste optische Element, etwa Blankpressen, oder Schleifen und Polieren, oder, im Falle von Kunststoff, auch Spritzgießen, erforderlich. Das zweite, komplementäre optische Element kann durch Auffüllung des Freiformprofils durch ein zunächst flüssiges und später aushärtendes Material gebildet werden. Anschließend ist dann lediglich die plane Außenfläche des zweiten Elements zu glätten bzw. zu polieren. Alternativ kann die plane und glatte äußere Abschlussfläche des zweiten Freiformelements auch durch Aufbringen einer optisch neutralen dünnen planparallelen Glasplatte, wie etwa einem Ausschnitt eines Mikroskop-Deckglases, gebildet werden. Auf diese Weise kann zusätzlich eine besonders kratzfeste und leicht zu beschichtende Außenfläche erzeugt werden. In jedem Falle kann das zweite, beim Herstellprozess zunächst flüssige Material später aushärten, sodass ein kompaktes, in sich stabiles und vor allem als Komponente in sich achromatisiertes Freiformelement entsteht. Das aushärtende Material kann beispielsweise Reaktionsharze auf Polyenbasis (Acryl, Methacryl, Vinyl) umfassen, deren Härtung thermisch bzw. durch UV-Bestrahlung erfolgt. Eine Vielzahl geeigneter und zunächst flüssiger Materialien sind beispielsweise auch in US 8 503 080 B2 , US 6 912 092 B2 oder US 7 158 320 B2 beschrieben. Es können beispielsweise auch Nanopartikel in einer Matrix aus Epoxidharz oder Polymethylmethacrylat (PMMA) verwendet werden. Durch Variation der Konzentration der Nanomaterialien können dann die erforderlichen Brechzahlen und Abbe-Zahlen stufenlos in bestimmten Bereichen eingestellt werden. Das aushärtende Material kann aber auch ein blankpressbares Glas sein.
• Wenn das erste und das zweite optische Element nach außen hin zwei parallele plane Grenzflächen aufweisen, können zwei (oder mehrere) derartige Elemente extrem nah zueinander geführt werden, ohne bei der lateralen Verschiebung miteinander zu kollidieren. Es ist bekannt, dass die Größe des Luftabstands zwischen den Platten, der zur Vermeidung von Kollisionen üblicherweise einige Hundertstel bis einige Zehntel Millimeter betragen muss, kritisch für zusätzliche parasitäre Bildfehler eines Wellenfrontmanipulators ist. Je kleiner der Luftabstand zwischen den Elementen ausgeführt werden kann, desto kleiner werden die parasitären Fehler und umso größer können die Beträge der Wellenfrontwirkungen (z.B. Brechkräfte) werden, bevor Störeffekte auftreten.
• Die erfindungsgemäße Lösung stellt eine Weiterentwicklung der Lösung aus DE 10 2014 118 383 A1 dar. Das Immersionsmedium zwischen je zwei Freiformplatten wird durch ein festes optisches Material ersetzt und durch einen ebenen Schnitt in der Mitte dieses Materials wird ein schmaler Luftspalt erzeugt, der klein genug ist, um in erster Näherung optisch ohne Wirkung zu sein. Dadurch kann man an Stelle einer Flüssigkeit oder eines elastischen Optokittes nunmehr auch ein festes optisches transparentes Medium, wie beispielsweise ein zweites Glas oder ein Optopolymer, verwenden, das die in der DE 10 2014 118 383 A1 bereits beschriebene Achromasie-Bedingung hinsichtlich Brechzahl und Abbe-Zahl erfüllt. Auf diese Weise kann ein achromatischer Wellenfrontmanipulator, beispielsweise eine achromatische Variolinse, bereitgestellt werden, der aus zwei (verallgemeinert auch 3 oder mehr) nach außen hin planparallelen Komponenten mit Freiformflächen zwischen den optischen Elementen besteht, die in sich formstabil und besonders einfach zu fassen und zu beschichten sind.
• Nachfolgend werden die Grundprinzipien zum Konstruieren der Freiformflächen dargelegt. Bevorzugt kann die Freiformfläche bei expliziter Flächendarstellung in der Form z(x,y) durch ein Polynom beschrieben werden, das in einer zur Bewegungsrichtung der optischen Komponenten orthogonalen Richtung x nur gerade Potenzen von x aufweist und in einer zur Bewegungsrichtung parallelen Richtung y nur ungerade Potenzen von y aufweist. Die Freiformfläche z(x,y) kann zunächst allgemein beispielsweise durch eine Polynomentwicklung der Form $$z\left(x,y\right)={\displaystyle \sum _{m,n=1}^{\infty }{C}_{m,n}{x}^m{y}^n}$$

  

  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 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 Koeffizienten zu in Verschieberichtung geraden Termen können, in Abweichung zur paraxialen Theorie, zur Korrektion parasitärer, durch den endlichen Abstand der Freiformprofile bewirkter Strahlversatzfehler, ebenfalls kleine von Null verschiedene Werte aufweisen. Jedoch sind optional die Koeffizienten zu ungeraden Termen senkrecht zur Schieberichtung stets Null.
• In der einfachsten Ausführungsform der Erfindung werden genau zwei Elemente transversal zur optischen Systemachse verschoben (das eine Element um die Strecke Δy in +y, das andere gleichzeitig um die gleiche Strecke in -y Richtung, also beide gegenläufig und um gleiche Beträge). Die Freiformflächen der Elemente eines Wellenfrontmanipulators sind häufig identisch, so dass sich die beiden Freiformelemente in einer Nullposition exakt zu einer planparallelen Platte komplementär ergänzen. Zur Berücksichtigung nicht-paraxialer Effekte, die aufgrund der Abweichung der Einfallshöhe von Strahlen an der ersten und zweiten Freiformfläche wegen des endlichen Weges im Medium 2 auftreten, können sich die beiden Freiformflächenprofile ggf. aber auch gezielt geringfügig voneinander unterscheiden. Hierfür lässt sich aber nur schwer eine allgemeine technische Lehre angeben.
• Eine reine Defokussierungswirkung lässt sich gemäß der Lehre von Alvarez bewirken, wenn die Freiformfläche der optischen Komponenten durch folgendes Polynom 3. Ordnung beschrieben wird: $$z\left(x,y\right)=k\cdot \left(x^2\cdot y+\frac{y^3}{3}\right)$$

  
• Hierbei ist o.b.d.A. angenommen, dass die laterale Verschiebung der Elemente entlang der y-Achse erfolgt, die dadurch definiert wird. Falls die Verschiebung entlang der x-Achse erfolgen soll, ist in obiger Gleichung entsprechend die Rolle von x und y zu tauschen. Der Parameter k skaliert dabei die Profiltiefe und legt auf diese Weise die erzielbare Brechkraftänderung pro Einheit des lateralen Verschiebewegs Δy fest.
• Für parallel zur Achse einfallende Strahlbündel bewirkt die laterale Verschiebung der zwei Elemente um eine Strecke Δy eine Wellenfrontänderung gemäß der Gleichung: $$\mathrm{\Delta }W\left(x,y\right)=2\cdot k\cdot \mathrm{\Delta }n\cdot \left(\mathrm{\Delta }y\cdot \left(x^2+y^2\right)+\frac{1}{3}\mathrm{\Delta }{y}^3\right)$$

  
• Die Änderung des parabolischen Wellenfrontanteils entspricht einer Änderung der Fokuslage. Dazu kommt ein von der Pupillenkoordinate unabhängiger Phasenterm („Piston-Term“), der für die Abbildungseigenschaften meistens vernachlässigt werden kann. Exakt wirkt sich dieser Term dann gar nicht auf die Abbildungseigenschaften aus, wenn sich das Element im Unendlichstrahlengang befindet. Die Flächenbrechkraft einer entsprechenden Variolinse ist demnach durch folgende Formel gegeben: φ = 4 · k · Δn · Δy. Hierbei ist Δy der laterale Verschiebeweg einer optischen Komponente entlang der y-Richtung, k der Skalierungsfaktor der Profiltiefe und Δn = n₁ - n₂ die Differenz der Brechungsindices der Materialien, aus denen die optischen Komponenten gebildet sind (erstes und zweites optisches Element mit gemeinsamer Freiformfläche), bei der jeweiligen Wellenlänge.
• In Verallgemeinerung dieser Lehre ist bekannt, dass zwei Freiformelemente auch zur Beeinflussung anderer Wellenfrontfehler ΔW(x,y) höherer Ordnung ausgelegt sein können. Bei einer exakt lateralen Relativbewegung der zwei Freiformelemente zueinander ist eine Wellenfrontänderung ΔW(x,y) genau dann bereitgestellt, wenn die Profilfunktion z(x,y) in der Richtung parallel zur Verschieberichtung proportional zur Stammfunktion der Funktion ΔW(x,y) und senkrecht zur Verschieberichtung proportional zur Funktion ΔW(x,y) selbst ausgebildet ist. Diese verallgemeinerte technische Lehre stellt insoweit allerdings nur eine Näherung für den Fall dar, in dem der Abstand zwischen den Freiformflächen gegen Null geht und die Aperturwinkelbelastung klein ist. Streng ist die Theorie also nur für den Grenzfall gültig, in dem auch die Freiformprofiltiefe gegen Null geht (thin element approximation, TEA), womit dann auch der Bereich der einstellbaren Brechkraftwirkung gegen Null gehen würde. In der Praxis ist diese Theorie als eine Näherung zu verwenden, die es erlaubt, analytische Ansatzsysteme aufzufinden, die anschließend mit numerischen Methoden weiter optimiert werden können. Der tatsächlich nutzbare Einstellbereich der so gefundenen Elemente ist dann viel größer als es die quasi-paraxiale Herleitung zunächst erscheinen lässt.
• Die Bedingung für die Auswahl der optischen Materialien zur Bereitstellung eines Wellenfrontmanipulators in Form einer achromatischen Variolinse lässt sich folgendermaßen ableiten: Der erfindungsgemäße Wellefrontmanipulator (Variolinse) besteht aus mindestens zwei beschriebenen optischen Komponenten, die wiederum jeweils aus zwei optischen Elementen mit den Brechzahlen n₁(λ) und n₂(λ) zusammengesetzt sind. Fasst man die Brechkraft aller Teilelemente der Variolinse mit der Brechzahl n₁(λ) als φ₁ und die Brechkraft aller optischen Elemente mit Brechzahl n₂(λ) als φ₂ zusammen, so gilt für diese beiden Teilbrechkräfte: $${\phi }_1=4\cdot k\cdot \mathrm{\Delta }y\cdot \left(n_1-1\right)$$

  

  bzw. $${\phi }_2=4\cdot k\cdot \mathrm{\Delta }y\cdot \left(n_2-1\right)$$

  
• Hierbei ist k der frei wählbare Skalierungsfaktor der Freiformprofilfunktion, Δy der Verschiebeweg der optischen Komponenten und n₁ bzw. n₂ die Brechungsindizes der Materialien der beiden optischen Elemente bei einer mittleren Wellenlänge des betrachteten Spektralbereiches.
• Die Bedingung für Achromasie für zwei eng zusammenstehende Linsen lautet generell: $$\frac{{\phi }_1}{v_1}+\frac{{\phi }_2}{v_2}=0$$

  
• Durch Einsetzen lässt sich für die im Rahmen des erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulators verwendeten jeweils achromatischen optischen Komponenten also folgende Bedingung aufstellen $$\frac{n_1-1}{v_1}-\frac{n_2-1}{v_2}=0$$

  
• Natürlich kann aufgrund der nur beschränkten Auswahl an zur Verfügung stehenden optischen Materialien, insbesondere bei Berücksichtigung spezieller Anforderungen wie Alterungsbeständigkeit, thermische Ausdehnung etc., in der Praxis auch geringfügig von der obigen Bedingung abgewichen werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.
• Als ein CHL-Manipulator wird ein Manipulator bezeichnet, mit dem der Farblängsfehler variabel eingestellt werden kann. Je größer der Unterschied in der Abbe-Zahl der Medien ausfällt, desto kleiner können die lateralen Verschiebewege und desto flacher können die Freiformprofile zur Erzielung einer vorgegebenen CHL-Wirkung des Elements ausfallen. Je geringer die Unterschiede im Brechungsindex der Medien ausfallen, desto geringer ändert sich die Fokuslage bei der mittleren Wellenlänge bei Einstellung einer vorgegebenen CHL. Geeignete Materialkombinationen sind leicht zu finden und weit verbreitet, da die Dispersion optischer Polymere und Epoxidharze bei typischen Brechzahlen von Glas durchweg deutlich höher liegt als die von Glas. Es lassen sich aber auch leicht Kombinationen aus zwei Polymeren bzw. Epoxiden finden, die die Bedingung erfüllen. Insbesondere ist nach dem Stand der Technik bekannt, wie man optische Harze bzw. Optokitte durch geeignete Änderungen der chemischen Zusammensetzung in einem gewissen Bereich auf eine vorgegebene Brechzahl anpassen kann, ohne dass sich dadurch die Abbe-Zahl wesentlich verändert.
• Mit einem erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator lässt sich bei geeigneter Wahl der optischen Medien ein Farblängsfehler CHL nicht nur gezielt auf Null setzen, sondern die optischen Elemente können auch so ausgebildet werden, dass gezielt definierte Beträge an CHL erzeugt werden. Bei einer beliebigen Abweichung von der Bedingung $$\frac{n_1-1}{v_1}-\frac{n_2-1}{v_2}=0$$

  

  bzw. der Bedingung $$\left|\frac{n_1-1}{v_1}-\frac{n_2-1}{v_2}\right|\le G$$

  

  erzeugt eine seitliche Verschiebung der Freiformelemente nach Gleichung $z\left(x,y\right)=k\cdot \left(x^2\cdot y+\frac{y^3}{3}\right)$

  

  gleichzeitig eine Brechkraftänderung bei der mittleren Wellenlänge (also einen Defokus) und relativ dazu einen Farblängsfehler für die Rand- oder Nebenwellenlängen. Es gibt Anwendungsfälle, bei denen eine solche Überlagerung sinnvoll ist, etwa wenn der Defokus bei der mittleren Wellenlänge durch andere optische Mittel kompensiert werden kann. Im Allgemeinen ist jedoch eine klare Trennung zwischen einer Änderung einer mittleren Fokuslage und einer Änderung des Farblängsfehlers erwünscht. Der zuvor beschriebene Fall betrifft die Situation, dass der zu manipulierende Wellenfrontterm lediglich genau der Defokusterm ist. Es kann für jeden anderen Wellenfrontterm analog vorgegangen werden. So kann z.B. durch ein genau definiertes Abweichen von der Bedingung in Verbindung mit einem Profil der Form $$z\left(x,y\right)=k\cdot \left(y\cdot x^4+\frac{2}{3}\cdot \left(x^2+y^3\right)+\frac{y^5}{3}\right)$$

  

  bei Auslenkung der Komponenten eine Änderung der sphärischen Aberration 3. Ordnung bei der Grundwellenlänge und gleichzeitig eine dazu in genau definiertem Verhältnis stehende chromatische (=wellenlängenabhängige) Variation der sphärischen Aberration 3. Ordnung bereitgestellt werden. Diese chromatische Änderung der sphärischen Aberration bezeichnet man auch als „Gaußfehler“, und er ist in vielen optischen Geräten ein ansonsten schwer zu kontrollierender Bildfehler.
• Vorzugsweise weisen, wie oben bereits erwähnt, das erste optische Element und das zweite optische Element jeweils mindestens eine Freiformfläche auf. Dabei weisen das erste optische Element und das zweite optische Element vorzugsweise eine gemeinsame Kontaktfläche in Form einer Freiformfläche auf. Es handelt sich mit anderen Worten also um eine gemeinsame Begrenzungsfläche bzw. Fläche zwischen beiden optischen Elementen, so dass die Freiformflächen des ersten optischen Elements und des zweiten optischen Elements miteinander korrespondieren.
• Die Freiformfläche kann dazu ausgelegt sein, eine Wellenfrontänderung ΔW(x,y) bei einer Grundwellenlänge zu erzeugen, indem die Freiform-Profilfunktion z(x,y) in Richtung der Bewegung der Elemente zueinander proportional zur Stammfunktion von ΔW(x,y) und senkrecht zur Bewegungsrichtung proportional zur Funktion ΔW(x,y) selbst ausgelegt ist, wobei x, y und z Koordinaten eines kartesischen Koordinatensystems sind und die z-Achse parallel zur Bezugsachse verläuft. Mit anderen Worten ist die Wellenfrontwirkung parallel zur Verschieberichtung proportional zur Ableitung der Profilfunktion.
• Die Freiformfläche kann eine Form gemäß der Freiform-Profilfunktion $$z\left(x,y\right)=k\cdot \left(y\cdot x^4+\frac{2}{3}\cdot \left(x^2+y^3\right)+\frac{y^5}{3}\right)$$

  

  aufweisen, wobei x, y und z Koordinaten eines kartesischen Koordinatensystems sind und die z-Achse parallel zur Bezugsachse verläuft.
• Eine solche Freiform-Profilfunktion würde vorwiegend die sphärische Aberration beeinflussen und könnte somit beispielsweise 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 Dickenänderung des Elements (Piston-Term) im konvergenten Strahlengang hervorgerufenen sphärischen Aberration kann auf diese Weise erfolgen. Zum Beispiel kann ein Wellenfrontmanipulator zur Beeinflussung des sogenannten Gaußfehlers, der chromatischen Variation der Sphärischen Aberration 3. Ordnung, durch zwei Freiformelemente mit einer Profilfunktion gemäß dem zuvor genannten Term bei gleichzeitiger Einhaltung der oben genannten Bedingungen |n₁ - n₂| ≤ N und |v₁ - v₂| ≥ V für die optischen Materialien bereitgestellt werden.
• Mehrere Strukturprofile können additiv überlagert sein, d.h. eine Struktur zur Änderung der Brechkraft und eine Struktur zur Änderung der sphärischen Aberration können überlagert sein, so dass eine entsprechender Wellenfrontmanipulator bei Verschiebung der optischen Komponenten gegeneinander eine Brechkraftwirkung variiert und gleichzeitig eine sphärische Aberration ändert, wobei beide Änderungen mit einem beliebig aber fest vorzuwählenden Proportionalitätsfaktor proportional zueinander sind. Auch in derartigen allgemeineren Anwendungsfällen lassen sich die oben dargelegten Regeln zur Wirkung einer entsprechenden Materialauswahl gemäß Bedingung $\frac{n_1-1}{v_1}-\frac{n_2-1}{v_2}\le G$

  

  oder |n₁ - n₂| ≤ N und |v₁ - v₂| ≥ V sinngemäß anwenden.
• 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) beschrieben werden und die Relativbewegung der Elemente 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.
• Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung weist ein Material mit einer Abbe-Zahl v_d eine anomale relative Teildispersion auf, wenn der Betrag der Differenz $\mathrm{\Delta }{P}_{g,F}=P_{g,F}-P_{g,F}^{normal}$

  

  aus der relativen Teildispersion P_g,F des Materials und einer normalen relativen Teildispersion $P_{g,F}^{normal}$

  

  bei der Abbe-Zahl v_d des Materials mindestens 0,005, insbesondere mindestens 0,01, beträgt. Dabei ist die normale relative Teildispersion durch $P_{g,F}^{normal}\left(v_d\right)=\mathrm{0,6438}-\mathrm{0,001682}{v}_d$

  

  definiert, also durch eine Gerade in einem Diagramm, welches eine Abhängigkeit zwischen der normalen relativen Teildispersion $P_{g,F}^{normal}$

  

  und der Abbe-Zahl v_d abbildet. Die relative Teildispersion beschreibt eine Differenz zwischen den Brechungsindices zweier bestimmter Wellenlängen bezogen auf ein Referenz-Wellenlängenintervall und stellt ein Maß für die relative Stärke der Dispersion in dem Spektralbereich zwischen diesen beiden Wellenlängen dar. Die drei dazu benötigten Wellenlängen sind vorliegend die Wellenlänge der g-Linie von Quecksilber (435,83 nm), die Wellenlänge der F-Linie von Wasserstoff (486,13 nm) sowie die C-Linie von Wasserstoff (656.21 nm) so dass die relative Teildispersion P_g,F durch $$P_{g,F}=\frac{n_g-n_F}{n_F-n_C}$$

  

  gegeben ist, wobei n_F und nc dieselben sind wie bei v_d. Auch bei der relativen Teildispersion kann eine andere Definition Verwendung finden, in der bspw. die F- und C-Linien von Wasserstoff durch die F`- und C'-Linien von Cadmium ersetzt sind.
• Vorteilhafter Weise umfasst mindestens eine, vorzugsweise zwei, der optischen Komponenten mindestens zwei optische Elemente 1 und 2, die eine relative Teildispersion P_λ1λ2, $$P_{{\lambda }_1{\lambda }_2}=\frac{n\left({\lambda }_1\right)-n\left({\lambda }_2\right)}{n_F-n_C}$$

  

  aufweisen, welche sich um weniger als einen festgelegten Grenzwert T unterscheiden (P_λ1λ2,1 - P_λ1λ2,2 <T). Bei dem festgelegten Grenzwert kann es sich um einen Wert von kleiner oder gleich 0,1 (T ≤ 0,1), insbesondere kleiner oder gleich 0,05 (T ≤ 0,05), zum Beispiel kleiner oder gleich 0,02 (T ≤ 0,02), handeln.
• Der Wellenfrontmanipulator kann auf diese Weise als apochromatischer Wellenfrontmanipulator ausgestaltet sein, also Farbfehler weitestgehend korrigieren. Bei einem Achromat bzw. Dichromat ist der Farblängsfehler zunächst für genau zwei Wellenlängen korrigiert. Den bei einer davon abweichenden dritten Wellenlänge verbleibenden Farblängsfehler nennt man das sekundäre Spektrum des Farblängsfehlers (bei dieser dritten Wellenlänge). Ist dieses dann ebenfalls korrigiert, spricht man von einem Apochromaten bzw. Trichromaten. Ein Aprochromat (oder „Trichromat“) erzeugt eine Wellenfrontdeformation W_α,λ(x,y), bei welcher der sphärische Anteil für drei voneinander verschiedene Wellenlängen übereinstimmt. Die Bedingung für einen Trichromaten ist, dass die relativen Teildispersionen der beiden Medien bei dieser dritten Wellenlänge übereinstimmen. Zwei Gläser können aber nur dann in der relativen Teildispersion übereinstimmen und sich gleichzeitig in der Abbe-Zahl unterscheiden (notwendig für die Dichromasie-Bedingung), wenn mindestens eines der beiden Gläser von einer Normalgeraden der relativen Teildispersion abweicht, also eine anomale relative Teildispersion aufweist. Derartige Gläser mit anomaler relativer Teildispersion werden je nach Vorzeichen der Abweichung der Teildispersion von der Normalgeraden auch als Langkron- oder Kurzflintgläser bezeichnet. In einer entsprechend vorteilhaften Variante kann mindestens eine, vorzugsweise zwei, der optischen Komponenten ein optisches Element aufweisen, welches eine anomale relative Teildispersion aufweist. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass der Wellenfrontmanipulator als apochromatischer Wellenfrontmanipulator zur Fokussierung verwendet werden kann.
• Indem mindestens eines der beiden optischen Elemente aus einem Material mit anomaler Teildispersion, d.h. mit einer Abweichung von der Normalgeraden, verwendet wird, lässt sich auch eine Korrektion der sekundären Farbfehler bewirken. Hierzu könnten zunächst die bekannten mineralischen Gläser mit anormaler Teildispersion (wie etwa die Kurzflintsondergläser NKZFSxy oder die Fluoridionen enthaltenden Langkrongläser FKxy) verwendet werden. Andererseits ist bekannt, dass insbesondere einige Optokitte stark von der Normalgeraden abweichende Teildispersionen aufweisen (vgl. DE 10 2007 051 887 A1 ). Es lassen sich auch gezielt Optokitte durch Variation der chemischen Zusammensetzung so modifizieren, dass sie eine besonders große Abweichung von der Normalgeraden aufweisen können. Weiterhin ist aus D. Werdehausen et al., Optica Vol. 6 2019, pp. 1031 bekannt, dass Optokitte nach den Zusatz von sogenannten „ITO-Nanopartikeln“ (ITO = Indium Tin Oxyde) eine stark von der Normalgeraden abweichende Teildispersion aufweisen, wobei diese Abweichung durch die Konzentration der Nanopartikel auf gezielte Werte eingestellt werden kann. Ein erfindungsgemäß ausgelegter apochromatischer Wellenfrontmanipulator erfüllt daher die Bedingung $\left|\frac{n_1-1}{v_1}-\frac{n_2-1}{v_2}\right|\le G$

  

  mit den oben genannten Grenzwerten und zusätzlich die Bedingung, dass die relative Teildispersion der beiden Materialien der optischen Elemente zwischen den Wellenlängen λ₁ und λ₂, die durch die Gleichung $$P_{{\lambda }_1{\lambda }_2}=\frac{n\left({\lambda }_1\right)-n\left({\lambda }_2\right)}{n_F-n_C}$$

  

  definiert ist, sich um weniger als 10%, bevorzugt sogar weniger als 5% und insbesondere weniger als 2% unterscheidet: $$P_{{\lambda }_1{\lambda }_2\mathrm{,1}}-P_{{\lambda }_1{\lambda }_2\mathrm{,2}}<\mathrm{0,1}$$

  

  $$P_{{\lambda }_1{\lambda }_2\mathrm{,1}}-P_{{\lambda }_1{\lambda }_2\mathrm{,2}}<\mathrm{0,05}$$

  

  $$P_{{\lambda }_1{\lambda }_2\mathrm{,1}}-P_{{\lambda }_1{\lambda }_2\mathrm{,2}}<\mathrm{0,02}$$

  
• Die mindestens zwei optischen Komponenten können in Bezug auf ihre optischen Merkmale, insbesondere die optischen Merkmale der verwendeten optischen Elemente, baugleich ausgestaltet sein. Dies hat den Vorteil, dass eine kostengünstige Herstellung möglich ist. Darüber hinaus lässt sich das Alvarez-Prinzip nutzbringend anwenden.
• Weiterhin kann mindestens eine der optischen Komponenten mindestens eine plane Außenoberfläche, welche sich senkrecht zur Bezugsachse erstreckt, aufweisen. Zum Beispiel kann zumindest eine optische Komponente des Wellenfrontmanipulators als Platte, insbesondere planparallele Platte ausgestaltet sein. Vorzugsweise sind alle vorhandenen optischen Komponenten des Wellenfrontmanipulators als Platten, insbesondere planparallele Platten ausgestaltet. Dies hat den Vorteil, dass der Abstand zwischen den optischen Komponenten minimiert werden kann.
• Die optischen Komponenten können relativ zueinander durch Translation in mindestens einer Richtung senkrecht zur optischen Achse, also in x- und/oder y-Richtung, bewegbar angeordnet sein, mit anderen Worten verschiebbar angeordnet sein. Zusätzlich oder alternativ dazu können die optischen Komponenten relativ zueinander durch Rotation um eine parallel zur optischen Achse (z-Richtung) verlaufende Achse bewegbar angeordnet sein, also drehbar angeordnet sein. Die genannten Varianten ermöglichen die Nutzung einer Mehrzahl an Freiheitsgraden zur Korrektur von Aberrationen oder zur Realisierung einer Fokussierung, beispielsweise in Form einer Zoom-Funktion, auf sehr geringem Bauraum. Solche gegeneinander verdrehbaren Elemente werden in der Offenlegungsschrift DE 10 2015 119 255 A1 beschrieben ist. Die Wellenfrontdeformation enthält dann statt des Verschiebeweges α einen Drehwinkel α und die Ortskoordinaten (x,y) sind durch Polarkoordinaten zu ersetzen, so dass die Wellenfrontdeformation durch W_a,λ(r,φ) gegeben ist anstelle von W_α,λ[x,y). Natürlich ist es auch denkbar, dass die beiden optischen Komponenten sowohl gegeneinander verschoben werden als auch gegeneinander verdreht werden. Der Wellenfrontmanipulator kann mindestens einen Sensor zum Erfassen einer Position und/oder einer Bewegung der optischen Komponenten relativ zueinander umfassen.
• Mindestens ein optisches Element mindestens einer optischen Komponente kann Glas oder ein Optopolymer oder Kunststoff oder ein Monomer oder ein aushärtendes Material umfassen.
• Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein optisches Gerät zur Verfügung gestellt. Das erfindungsgemäße optische Gerät kann beispielsweise ein Objektiv, insbesondere ein Zoom-Objektiv, ein optisches Beobachtungsgerät wie etwa ein Mikroskop, insbesondere Operationsmikroskop, ein Teleskop, eine Kamera, etc. sein. Es kann aber auch ein anderes optisches Gerät, wie beispielsweise eine optische Messeinrichtung, sein. Es ist mit wenigstens einem erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator ausgestattet. In dem erfindungsgemäßen optischen Gerät können daher die mit Bezug auf den erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator beschriebenen Wirkungen und Vorteile erzielt werden. Der erfindungsgemäße Wellenfrontmanipulator kann mit einem Sensor ausgestattet sein, so dass die jeweilige Verschiebung Δy oder Verdrehung α bekannt ist. Dies ist insbesondere von Bedeutung, wenn das optische Gerät eine Messeinrichtung darstellt, beispielsweise einen farbkonfokalen Sensor.
• Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Verwendung wenigstens eines erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulators zur Verfügung gestellt. In der erfindungsgemäßen Verwendung dient wenigstens ein erfindungsgemäßer Wellenfrontmanipulator zum Bewirken einer einstellbaren Änderung einer Wellenfront, beispielsweise einer beliebigen aber festen Linearkombination von Zernike-Termen, und/oder zum Herbeiführen einer oder mehrerer der nachfolgend genannten Korrektionen bzw. Reduktionen: Koma, Astigmatismus, dichromatische Korrektion, trichromatische Korrektion, Reduktion des sekundären Spektrums, Reduktion des tertiären Spektrums.
• In einer weiteren Verwendung eines erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulators kann dieser zum Herbeiführen einer Fokussierung, insbesondere zur Fokussierung in einem beliebigen optischen System (Fotoobjektiv, Mikroskopobjektiv etc.), und/oder einer stellungsabhängigen Korrektion wenigstens eines Wellenfrontfehlers in einem Zoomobjektiv oder einem Mikroskop, insbesondere einem Objektiv für ein Operationsmikroskop, für eine Anordnung für einen schnellen Z-Scan oder für eine dreidimensionale Bildstabilisierung herangezogen werden. Hierzu kann der Wellenfrontmanipulator insbesondere im Bereich eines (näherungsweise) kollimierten Strahlengangs des jeweiligen optischen Geräts angeordnet und jeweils abhängig von der Stellung des Zoomobjektivs lateral so ausgelenkt werden, dass er einen Wellenfrontfehler (z.B. einen Farblängsfehler, eine Sphärische Aberration, etc.) des jeweiligen optischen Geräts kompensiert.
• Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert. Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wird, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
• Die Figuren sind nicht notwendigerweise detailgetreu und maßstabsgetreu und können vergrößert oder verkleinert dargestellt sein, um einen besseren Überblick zu bieten. Daher sind hier offenbarte funktionale Einzelheiten nicht einschränkend zu verstehen, sondern lediglich als anschauliche Grundlage, die dem Fachmann auf diesem Gebiet der Technik Anleitung bietet, um die vorliegende Erfindung auf vielfältige Weise einzusetzen.
• Der hier verwendete Ausdruck „und/oder“, wenn er in einer Reihe von zwei oder mehreren Elementen benutzt wird, bedeutet, dass jedes der aufgeführten Elemente alleine verwendet werden kann, oder es kann jede Kombination von zwei oder mehr der aufgeführten Elemente verwendet werden. Wird beispielsweise eine Zusammensetzung beschrieben, die die Komponenten A, B und/oder C, enthält, kann die Zusammensetzung A alleine; B alleine; C alleine; A und B in Kombination; A und C in Kombination; B und C in Kombination; oder A, B, und C in Kombination enthalten.
• 1 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator in einer längs geschnittenen Ansicht.
• 2 zeigt schematisch den Strahlengang einer Ausgangsanordnung zur Entwicklung eines erfindungsgemäßen optischen Geräts.
• 3 zeigt die zu einer Ausgangsanordnung gehörigen Bildfehlerkurven zu einer Objektentfernung von -500mm.
• 4 zeigt die zu der Ausgangsanordnung gehörigen Bildfehlerkurven zu einer Objektentfernung von -250mm.
• 5 zeigt die zu der Ausgangsanordnung gehörigen Bildfehlerkurven zu einer Objektentfernung von -166.67mm.
• 6 zeigt die zu der in der 2 schematisch gezeigten Ausgangsanordnung zugehörigen Konstruktionsdaten.
• 7-9 zeigen schematisch den Strahlengang einer Ausgangsanordnung zur Entwicklung eines erfindungsgemäßen optischen Geräts mit einer nicht-achromatisierten Alvarez-Linse nach dem Stand der Technik zur Fokussierung auf unterschiedliche Objektentfernungen.
• 10 zeigt die zu 7 gehörigen Bildfehlerkurven zu einer Objektentfernung von -500mm.
• 11 zeigt die zu 8 gehörigen Bildfehlerkurven zu einer Objektentfernung von -250mm.
• 12 zeigt die zu 9 gehörigen Bildfehlerkurven zu einer Objektentfernung von -166.67mm.
• 13 zeigt die zu der in den 7-9 schematisch gezeigten Anordnung zugehörigen Konstruktionsdaten.
• 14-16 zeigen schematisch den Strahlengang eines erfindungsgemäßen optischen Geräts mit einem erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator zur Fokussierung auf unterschiedliche Objektentfernungen.
• 17 zeigt die zu 14 gehörigen Bildfehlerkurven zu einer Objektentfernung von -500mm.
• 18 zeigt die zu 15 gehörigen Bildfehlerkurven zu einer Objektentfernung von -250mm.
• 19 zeigt die zu 16 gehörigen Bildfehlerkurven zu einer Objektentfernung von -166.67mm.
• 20 zeigt die zu der in den 14-16 schematisch gezeigten erfindungsgemäßen Anordnung zugehörigen Konstruktionsdaten.
• Die 1 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator. Der Wellenfrontmanipulator 1 umfasst eine erste optische Komponente 2 und eine zweite optische Komponente 3. Die erste optische Komponente 2 und die zweite optische Komponente 3 sind entlang einer optischen Achse 9 hintereinander angeordnet. In dem gezeigten Beispiel verläuft die optische Achse 9 parallel zur z-Richtung eines kartesischen Koordinatensystems. Die optischen Komponenten 2, 3 weisen jeweils eine Mittelachse 8 auf, welche vorzugsweise parallel zur optischen Achse 9 verlaufen. Die erste optische Komponente 2 und die zweite optische Komponente 3 sind in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse 9, also in einer x-y-Ebene, relativ zueinander bewegbar angeordnet. Die erste optische Komponente 2 und die zweite optische Komponente 3 können also durch Translation und/oder Rotation in Bezug aufeinander in einer x-y-Ebene bewegbar angeordnet sein.
• Die erste Komponente 2 und die zweite Komponente 3 umfassen jeweils ein erstes optisches Element 4 mit einer Brechzahl n₁ und einer Abbe-Zahl v₁ und ein zweites optisches Element 5 mit einer Brechzahl n₂ und einer Abbe-Zahl v₁. Das erste optische Element 4 und das zweite optische Element 5 sind jeweils entlang der optischen Achse hintereinander angeordnet. Die Brechzahlen n₁ und n₂ und die Abbe-Zahlen v₁ und v₁ sind so gewählt, dass der Betrag der Differenz des Quotienten aus der Brechzahl n₁ vermindert um 1 und der Abbe-Zahl v₁ des ersten optischen Elements und des Quotienten aus der Brechzahl n₂ vermindert um 1 und Abbe-Zahl v₂ des zweiten optischen Elements geringer ist als ein festgelegter Grenzwert $\text{G}:\left|\frac{n_1-1}{v_1}-\frac{n_2-1}{v_2}\right|\le G.$

  

  $$

  

  Vorzugsweise beträgt der Grenzwert G höchstens 0,01.
• Das erste optische Element 4 und das zweite optische Element 5 bilden eine Kontaktfläche 6 aus, welche vorzugsweise als Freiformfläche ausgestaltet ist. In der gezeigten Variante sind die beiden optischen Komponenten 2 und 3 baugleich ausgestaltet, wobei einander entsprechende optische Elemente 4, 5 einander zugewandt angeordnet sind, in der gezeigten Variante sind jeweils die zweiten optischen Elemente 5 einander zugewandt angeordnet. Weiterhin umfassen die optischen Komponenten 2 und 3 vorzugsweise eine plane Außenoberfläche 7, wobei die planen Außenoberflächen einander abgewandt angeordnet sind und jeweils durch das erste optische Element 4 gebildet werden. Anstelle einer planen Außenfläche 7 der optischen Komponenten 2, 3, welche wie in 1 gezeigt nach außen gerichtet sind, kann auch eine andere Flächengeometrie verwendet werden. Eine plane Außenfläche 7 ist allerdings günstig, weil damit der Abstand der eine Krümmung aufweisenden Flächen des Wellenfrontmanipulators 1 zueinander verringert wird und weniger Aberrationen entstehen. Insbesondere können die einander zugewandten Außenflächen 13 der jeweiligen optischen Komponente 2, 3 eine Krümmung aufweisen. In diesem Fall ist der Abstand der brechenden Flächen des Wellenfrontmanipulators 1 wiederum verringert, so dass weniger Aberrationen entstehen.
• Im Folgenden wird als Beispiel eine erfindungsgemäß ausgelegte Lösung für eine achromatische Fokussieroptik beschrieben, welche Freiformflächen umfasst, deren Form allgemein durch eine Taylor-Polynomentwicklung beschrieben wird: $$z\left(x,y\right)={\displaystyle \sum _{m,n=1}^{\infty }{C}_{m,n}{x}^m{y}^n}$$

  
• Hierbei bezeichnen x, y und z die drei kartesischen Koordinaten eines auf der Fläche liegenden Punktes im lokalen flächenbezogenen Koordinatensystem. Die Koeffizienten der Polynomentwicklung sind jeweils in den entsprechenden Zeilen bei zugehörigen Flächennummern angegeben, wobei die Polynomkoeffizienten mit den Potenzen der zugehörigen Entwicklungstermen gekennzeichnet sind.
• Es kommen ferner rotationssymmetrische asphärische Flächen vor, die durch folgende Gleichung definiert sind: $$z=\frac{\left(x^2+y^2\right)/R}{1+\sqrt{1-\left(1+k\right)\cdot \frac{\left(x^2+y^2\right)}{R^2}}}+A\cdot {\left(x^2+y^2\right)}^2+B\cdot {\left(x^2+y^2\right)}^3+C\cdot {\left(x^2+y^2\right)}^4+D\cdot {\left(x^2+y^2\right)}^5$$

  
• Die zugehörigen Koeffizienten k, A, B, C und D sind an den entsprechenden Flächen jeweils im Anschluss an den Scheitelradius angegeben. Da es mathematisch unendlich viele äquivalente Darstellungen derselben Flächen gibt, ist die Erfindung selbstverständlich nicht auf eine konkrete Flächendarstellung beschränkt.
• Die 2 zeigt schematisch den Strahlengang einer Ausgangsanordnung zur Entwicklung eines erfindungsgemäßen optischen Geräts. In dem in der 2 gezeigten Beispiel ist ein erfindungsgemäßer Wellenfrontmanipulator 1, also eine achromatische Variolinse, einer festbrennweitigen Gruppe oder Anordnung optischer Elemente 10, vorzugsweise in Form einer rotationssymmetrischen Optikgruppe, vorgeschaltet, um eine stufenlose Anpassung einer Fokussierung auf unterschiedliche Objektentfernungen zwischen S₀=-500mm und S₀=-167mm zu ermöglichen. Der Durchmesser der Aperturblende 11 beträgt 14mm. Der Strahlengang ist mit der Bezugsziffer 14 gekennzeichnet und der Fokus ist mit der Bezugsziffer 12 gekennzeichnet.
• Um die erfindungsgemäße Lehre anhand des Beispiels zu illustrieren, wird in drei Schritten vorgegangen: Zunächst wird eine für eine feste mittlere Objektentfernung von S₀=-250mm ausgelegte und für diese feste Objektentfernung nahezu fehlerfreie rotationssymmetrische Optikgruppe angegeben. Es handelt sich hier um eine ähnliche, aber in den Parametern leicht modifizierte Ausgangsanordnung wie in DE 10 2014 118 383 A1 und DE 10 2011 055 777 B4 .
• Im zweiten Schritt wird zunächst eine nicht-achromatisierte Variolinse, wie sie nach dem Stand der Technik als bekannt anzusehen ist, zur Variation der Systembrechkraft und damit zur Anpassung auf die geänderte Objektschnittweite ergänzt. Das Resultat zeigt, dass ein unvermeidbarer Farblängsfehler in den ausgelenkten Stellungen des Manipulators auftritt.
• Schließlich wird die neue erfindungsgemäße Lösung angegeben, mit der es gelingt, die chromatischen Bildfehler nahezu vollständig und über den gesamten Entfernungsbereich hinweg zu vermeiden.
• Die für eine feste mittlere Objektentfernung von S₀=-250mm nahezu fehlerfrei abbildende Optik wird in dem Beispiel durch eine rotationssymmetrische Hybridoptik bereitgestellt. Diese besteht aus einer auf der Vorderseite asphärisch ausgebildeten Sammellinse 21 aus dem Material FK5 des Herstellers SCHOTT AG und einer damit verkitteten sphärischen Zerstreuungslinse 22 aus dem Material SF1 des Herstellers SCHOTT AG. Unter einer Asphäre wird eine Linse mit einer rotationssymmetrischen Oberfläche verstanden, deren Oberfläche Oberflächenbereiche mit voneinander abweichenden Krümmungsradien aufweisen kann. Die Zerstreuungslinse 22 ist auf der Rückseite 23 mit einer DOE-Struktur, also einer Anzahl an diffraktiven optischen Elementen, versehen. Um die Glaswege der später benötigten Elemente der Variolinse zu berücksichtigen, sind planparallele Glasplatten aus den gleichen Materialarten vorgesehen, aus dem später die Variolinse gebildet wird.
• Dieser Teil des Systems dient hier dazu, eine quasi ideal korrigierte festbrennweitige Optik zu simulieren, die natürlich in praktischen Anwendungen auch durch ganz anders aufgebaute mehrlinsige Objektive gebildet sein kann. Die festbrennweitige Gruppe ist im Beispiel so ausgelegt, dass sie ein Objekt, das sich 250mm vor dem Scheitel der am weitesten links liegenden Glasfläche (linke Glasplatte bzw. erste optische Komponente 2) befindet, auf eine Bildebene in 50mm Entfernung vom letzten rechts liegenden Linsenscheitel abbildet. Als Anwendungsfall für das hier beschriebene Beispiel eignet sich ein Objektiv für ein Operationsmikroskop.
• Aus Gründen der klareren Darstellung des wesentlichen Gedankens der Erfindung ist das vorliegende Beispiel auf idealisierte Randbedingungen (nur ein Feldpunkt) beschränkt, da andernfalls die zu demonstrierende technische Lehre wegen der vielen zu treffenden Bildfehlerkompromisse nur unnötig verkompliziert würde. 2 zeigt dieses Grundoptiksystem, das in den Systemen zu Schritt 2 und 3 unverändert vorkommt.
• Die 3 bis 5 zeigen die zugehörigen Bildfehlerkurven (Queraberrationen) zu den drei Objektentfernungen -500mm (3), - 250mm (4) und -166.67mm (5). Die vertikale Achse entspricht den geometrisch-optischen Queraberrationen in der Empfängerebene in Millimetern und reicht bis ±0.05mm. Die horizontale Achse entspricht der relativen, auf Werte von -1 bis +1 normierten Pupillenkoordinate des Durchstoßpunktes der Strahlen durch die Ebene der Aperturblende. Die Kurven 31 beziehen sich auf eine Wellenlänge von 656 nm, die Kurven 32 auf eine Wellenlänge von 546 nm und die Kurven 33 auf eine Wellenlänge von 435 nm. Es ist deutlich erkennbar, dass für die Objektentfernung - 250mm (4), für die das Grundoptiksystem 10 ausgelegt ist, eine praktisch restfehlerfreie, beugungsbegrenzte Optik vorliegt, und dass für die übrigen Objektentfernungen der erwartbare Fokusfehler auftritt. In den Abbildungen liegen die entsprechenden Kurven 31, 32 und 33 für die drei beispielhaft verwendeten Wellenlängen 656nm, 546nm und 435nm übereinander, da die Grundoptik 10 mit dem DOE für die vorgegebene Objektentfernung chromatisch nahezu perfekt korrigiert.
• In der nachfolgenden Tabelle 1 sind die Konstruktionsgrunddaten der in der 2 gezeigten Ausgangsanordnung angegeben. Die Flächen 1 bis 10 bezeichnen die einzelnen Oberflächen der Linsen und der optischen Elemente in der 2 von links nach rechts. Die Fläche 1 entspricht also der Außenoberfläche 7 der ersten optischen Komponente 2 und die Fläche 10 der rückseitigen Oberfläche 23 der sphärischen Zerstreuungslinse 22. Tabelle1:

  Fläche	Scheitelradius der Flächenkrümmung	Abstand zur Folgefläche (Luftabstand bzw. Linsendicke)	Glas Handelsbezeichnung mit Herstellerangabe
  Objekt	unendlich	250,000000
  1	unendlich	0,800000	PLASF47_SCHOTT
  2	unendlich	0,800000	P-CARBO (Polycarbonat)
  3	unendlich	0,050000
  4	unendlich	0,800000	P-CARBO (Polycarbonat)
  5	unendlich	0,800000	PLASF47_SCHOTT
  6	unendlich	0,500000
  Blende	unendlich	0,000000
  8	17,85460	4,000000	FK5_SCHOTT
  9	-76,59000	1,000000	SF1_SCHOTT
  10	275,92000	50,000000
  Bildebene	unendlich	0.00000

• Die Fläche 8 ist eine Asphäre mit den Koeffizienten A= -0,116309E-04, B= - 0,246389E-07,C= -0,511441E-10 und D= 0,194977E-12 gemäß der oben bereits angeführten Formel: $$z=\frac{\left(x^2+y^2\right)/R}{1+\sqrt{1-\left(1+k\right)\cdot \frac{\left(x^2+y^2\right)}{R^2}}}+A\cdot {\left(x^2+y^2\right)}^2+B\cdot {\left(x^2+y^2\right)}^3+C\cdot {\left(x^2+y^2\right)}^4+D\cdot {\left(x^2+y^2\right)}^5$$

  
• Die Fläche 10 umfasst ein diffraktives optisches Element, welches für eine Konstruktionswellenlänge von 546,00 nm in +1-ten Beugungsordnung verwendet wird. Das diffraktive optische Element weist ein rotationssymmetrisches polynomiales Gitter mit den Termen C1*r² und C2*r⁴ sowie den Koeffizienten C1=-1,9089E-04 und C2=5,4604E-07 auf. Das Gitter ist als ideales Blaze-Gitter ausgestaltet ist (100% des Lichts wird für alle Wellenlängen in eine spezifische Beugungsordnung gebeugt).
• In der 6 sind die zugehörigen Konstruktionsdaten des Ausführungsbeispiels in der Nomenklatur des Optik-Designprogramm CodeV der Firma Synopsys angegeben.
• In Schritt 2 ist in den 7 bis 9 an Stelle der planparallelen Glasplatten vor dem Grundoptiksystem 10 eine nicht-achromatisierte Alvarez-Linse nach dem Stand der Technik zur Fokussierung auf unterschiedliche Objektentfernungen gezeigt, die im Beispiel S₀ = -500mm (7), S₀ = - 250mm (8), und S₀ = -166.67 mm (9) betragen. In den 7 bis 9 ist die Optik in den 3 Stellungen in einer Schnittansicht gezeigt: Die beiden Elemente 2 und 3, die jeweils auf der Innenseite eine Freiformfläche 26 tragen, werden lateral gegenläufig zueinander bewegt, so dass sich im Innenbereich eine variable Luftlinse ergibt (Prinzip der Variolinse nach Alvarez). Dabei entsprechen die 3 Stellungen den drei genannten Objektentfernungen S₀. Die Lage der Bildebene relativ zur festbrennweitigen Gruppe bleibt konstant (50mm freie Schnittweite). In dem Beispiel werden auch höhere Ordnungen der Alvarez-Freiformfläche genutzt, um die sphärische Aberration bei geänderter Objektschnittweite entsprechend mit anpassen zu können. Die DOEs des Grundoptiksystems werden jeweils in der +1. Beugungsordnung betrieben. Die Verschiebewege des ersten lateral bewegten Freiformelements betragen in den 3 Stellungen +2.0 mm (7), 0.0 mm (8), -2.0 mm (9). Das zweite Element verschiebt sich dabei jeweils um gleiche Beträge in entgegengesetzter Richtung.
• Die 10 bis 12 zeigen die zugehörigen Bildfehlerkurven zu den drei Objektentfernungen -500mm (7), -250mm (8) und -166.67mm (9).
• In der nachfolgenden Tabelle 2 sind die Konstruktionsgrunddaten der in den 7 bis 9 schematisch gezeigten, gemäß Schritt 2 weiterentwickelten Anordnung angegeben. Die Flächen 1 bis 14 bezeichnen die einzelnen Oberflächen der Linsen und der optischen Elemente in den 7 bis 9 von links nach rechts. Dabei entsprechen die Flächen 12 bis 14 den Flächen 8 bis 10 der 2 bzw. Tabelle 1. Tabelle 2:

  Fläche	Scheitelradius der Flächenkrümmung	Abstand zur Folgefläche (Luftabstand bzw. Linsendicke)	Glas Handelsbezeichnung mit Herstellerangabe
  Objekt	unendlich	500,000000
  1	unendlich	0,000000
  2	unendlich	1,000000	PLASF47_SCHOTT
  3	unendlich	0,000000
  4	unendlich	0,000000
  5	unendlich	0,100000
  6	unendlich	0,000000
  7	unendlich	1,000000	PLASF47_SCHOTT
  8	unendlich	0,000000
  9	unendlich	0,000000
  10	unendlich	0,500000
  Blende	unendlich	0,000000
  12	17,85460	4,000000	FK5_SCHOTT
  13	-76,59000	1,000000	SF1_SCHOTT
  14	275,92000	50,000000
  Bildebene	unendlich	0.00000

• Die Flächen 1 und 9 weisen eine Dezentrierung in y-Richtung von 1,966888 auf. Die Flächen 4 und 6 weisen eine Dezentrierung in y-Richtung von - 1,966888 auf. Die Flächen 3 und 7 sind Freiformflächen mit den Koeffizienten C_0,1=1,1469E-02, C_2,1=-3,0928E-04, C_0,3=-1,0310E-04, C_4,1=4,6548E-09, C_2,3=3,0196E-09 und C_0,5=9,2867E-10 der Taylor-Polynomentwicklung: $$z\left(x,y\right)={\displaystyle \sum _{m,n=1}^{\infty }{C}_{m,n}{x}^m{y}^n}$$

  
• Die Fläche 12 ist eine Asphäre mit den Koeffizienten A= -0,116309E-04, B= - 0,246389E-07, C=-0,511441E-10 und D=0,194977E-12 gemäß der oben bereits angeführten Formel: $$z=\frac{\left(x^2+y^2\right)/R}{1+\sqrt{1-\left(1+k\right)\cdot \frac{\left(x^2+y^2\right)}{R^2}}}+A\cdot {\left(x^2+y^2\right)}^2+B\cdot {\left(x^2+y^2\right)}^3+C\cdot {\left(x^2+y^2\right)}^4+D\cdot {\left(x^2+y^2\right)}^5$$

  
• Die Fläche 14 umfasst ein diffraktives optisches Element, welches für eine Konstruktionswellenlänge von 546,00 nm in +1-ten Beugungsordnung verwendet wird. Das diffraktive optische Element weist ein rotationssymmetrisches polynomiales Gitter mit den Termen C1*r² und C2*r⁴ sowie den Koeffizienten C1=-1,9089E-04 und C2=5,4604E-07 auf. Das Gitter ist als ideales Blaze-Gitter ausgestaltet ist (100% des Lichts wird für alle Wellenlängen in eine spezifische Beugungsordnung gebeugt).
• In der 13 sind die zugehörigen Konstruktionsdaten des Ausführungsbeispiels in der Nomenklatur des Optik-Designprogramm CodeV der Firma Synopsys angegeben.
• Nunmehr wird in Schritt 3 eine erfindungsgemäße Ausführung der achromatischen Variolinse mit zwei lateral zueinander bewegten optischen Komponenten 2 und 3 gezeigt. Die 14, 15 und 16 zeigen schematisch den Strahlengang eines erfindungsgemäßen optischen Geräts 20 mit einem erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator 1 zur Fokussierung auf unterschiedliche Objektentfernungen. Die Lage der Bildebene ist dabei wiederum konstant und unverändert gegenüber dem Beispiel im vorigen Schritt.
• In der nachfolgenden Tabelle 3 sind die Konstruktionsgrunddaten der in den 14 bis 16 schematisch gezeigten, gemäß Schritt 3 weiterentwickelten Anordnung angegeben. Die Flächen 1 bis 16 bezeichnen die einzelnen Oberflächen der Linsen und der optischen Elemente in den 14 bis 16 von links nach rechts. Dabei entsprechen die Flächen 14 bis 16 den Flächen 8 bis 10 der 2 bzw. Tabelle 1. Tabelle 3:

  Fläche	Scheitelradius der Flächenkrümmung	Abstand zur Folgefläche (Luftabstand bzw. Linsendicke)	Glas Handelsbezeichnung mit Herstellerangabe
  Objekt	unendlich	500,000000
  1	unendlich	0,000000
  2	unendlich	0,800000	PLASF47_SCHOTT
  3	unendlich	0,800000	P-CARBO (Polycarbonat)
  4	unendlich	0,000000
  5	unendlich	0,000000
  6	unendlich	0,050000
  7	unendlich	0,000000
  8	unendlich	0,800000	P-CARBO (Polycarbonat)
  9	unendlich	0,800000	PLASF47_SCHOTT
  10	unendlich	0,000000
  11	unendlich	0,000000
  12	unendlich	0,500000
  Blende	unendlich	0,000000
  14	17,85460	4,000000	FK5_SCHOTT
  15	-76,59000	1,000000	SF1_SCHOTT
  16	275,92000	50,000000
  Bildebene	unendlich	0.00000

• Die Flächen 1 und 11 weisen eine Dezentrierung in y-Richtung von 2,000000 auf. Die Flächen 5 und 7 weisen eine Dezentrierung in y-Richtung von - 2,000000 auf. Die Flächen 3 und 9 sind Freiformflächen mit den Koeffizienten C_0,1=2,0348E-02, C_1,0=-1,6460E-02, C_0,2=-1,4682E-03, C_2,1=-1,1335E-03, C_0,3=-3,7517E-04, C_4,0=4,2694E-06, C_2,2=-1,2405E-06, C_0,4=-4,2758E-07, C_4,1=-6,6939E-08, C_2,3=-2,3783E-08 und C_0,5=-1,4727E-09 der Taylor-Polynomentwicklung: $$z\left(x,y\right)={\displaystyle \sum _{m,n=1}^{\infty }{C}_{m,n}{x}^m{y}^n}$$

  
• In der 20 sind die zugehörigen Konstruktionsdaten des Ausführungsbeispiels in der Nomenklatur des Optik-Designprogramm CodeV der Firma Synopsys angegeben.
• Die 17 bis 19 zeigen die zugehörigen Bildfehlerkurven zu den drei Objektentfernungen -500mm (14), -250mm (15) und -166.67mm (16). An den 17 bis 19 erkennt man am Verlauf der gezeigten Queraberrationskurven für die verschiedenen Wellenlängen, dass der Farblängsfehler CHL nunmehr korrigiert ist, was genau das Ziel des verwendeten erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulators in diesem Ausführungsbeispiel ist.
• Die optischen Medien der ersten optischen Elemente 4 und der zweiten optischen Elemente 5 (Freiformteilelemente) erfüllen hierbei in sehr guter Näherung die Bedingungsgleichung $\frac{n_1-1}{v_1}-\frac{n_2-1}{v_2}=0$

  

  bzw. die Ungleichung $\left|\frac{n_1-1}{v_1}-\frac{n_2-1}{v_2}\right|\le 0.001$

  

  Als Material des ersten optischen Elements 4 ist die Glasart PLASF47 des Herstellers Schott AG verwendet. Dessen Brechzahl beträgt bei 546nm Wellenlänge n₁=1,81078 und die Abbe-Zahl beträgt v₁=40,7. Als Material des zweiten optischen Elements 5 ist Polycarbonat verwendet, ein hervorragend transparentes und für die Spritzgussherstellung optischer Komponenten allgemein gebräuchliches Optopolymer. Dessen Brechzahl beträgt bei 546nm Wellenlänge n₂=1,59, die Abbe-Zahl beträgt v₂=29,9.
• Die erfindungsgemäß einzuhaltende Bedingung für die Materialauswahl ist daher mit den obigen Angaben $$\frac{n_1-1}{v_1}-\frac{n_2-1}{v_2}=0.00018844$$

  

  sehr gut erfüllt. Die Verschiebewege der ersten lateral bewegten optischen Komponente 2 betragen in den drei Stellungen wiederum +2.0 mm ( 14), 0.0 mm (15), -2.0 mm (16). Die zweite optische Komponente 3 verschiebt sich dabei jeweils um gleiche Beträge in entgegengesetzter Richtung.
• In dem Beispiel werden wiederum auch höhere Ordnungen der Alvarez-Freiformfläche 6, 26 genutzt. Dies geschieht einerseits, um die sphärische Aberration bei geänderter Objektschnittweite entsprechend korrigieren zu können, und andererseits werden andere Koeffizienten des Freiformprofils zur Minimierung der maximalen Profiltiefe ausgenutzt. Es ergeben sich dadurch flachere Teilelemente und die optisch wirksamen Freiform-Grenzflächen 26 können einen kleineren Abstand zueinander bekommen, ohne bei der Auslenkung zu kollidieren. Ein kleinerer Abstand zwischen den Freiform-Grenzflächen 26 hilft dabei, die aus dem nicht mit der paraxialen Betrachtung der TEA übereinstimmenden Strahlversatz resultierenden Bildfehler klein zu halten.
• Bezugszeichenliste

1

Wellenfrontmanipulator

2

erste optische Komponente

3

zweite optische Komponente

4

erstes optisches Element

5

zweites optisches Element

6

Kontaktfläche

7

plane Außenoberfläche

8

Mittelachse

9

optische Achse

10

Anordnung optischer Elemente, z.B. rotationssymmetrisches Objektiv

11

Blende

12

Fokus

13

Außenfläche

14

Strahlengang

20

optisches Gerät

21

asphärische Sammellinse

22

sphärische Zerstreuungslinse

23

Rückseite

26

Freiformfläche

32

Queraberration zu einer Wellenlänge von 546 nm

31

Queraberration zu einer Wellenlänge von 656 nm

33

Queraberration zu einer Wellenlänge von 435 nm

• 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 A1 [0002]
• DE 102014118383 A1 [0005, 0006, 0015, 0032, 0076]
• WO 2013120800 A1 [0005, 0006]
• DE 102011055777 B4 [0007, 0076]
• US 10082652 B2 [0008]
• US 8503080 B2 [0030]
• US 6912092 B2 [0030]
• US 7158320 B2 [0030]
• DE 102007051887 A1 [0057]
• DE 102015119255 A1 [0060]

Claims (20)

1. Wellenfrontmanipulator (1) mit mindestens einer ersten optischen Komponente (2) und einer zweiten optischen Komponente (3), die entlang einer Bezugsachse (9) hintereinander angeordnet sind, wobei die erste optische Komponente (2) und die zweite optische Komponente (3) in einer Ebene senkrecht zur Bezugsachse (9) relativ zueinander bewegbar angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die erste optische Komponente (2) und die zweite optische Komponente (3) jeweils ein erstes optisches Element (4) mit mindestens einer Freiformfläche (6, 26), einer Brechzahl ni und einer Abbe-Zahl v₁ und ein zweites optisches Element (5) mit mindestens einer Freiformfläche (6, 26), einer Brechzahl n₂ und einer Abbe-Zahl v₂ umfasst, welche entlang der Bezugsachse (9) hintereinander angeordnet sind, wobei sich die Abbe-Zahlen v₁ und v₂ voneinander unterscheiden (v₁ ≠ v₂).
2. Wellenfrontmanipulator (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrag der Differenz des Quotienten aus der Brechzahl n₁ vermindert um 1 und der Abbe-Zahl v₁ des ersten optischen Elements (4) und des Quotienten aus der Brechzahl n₂ vermindert um 1 und Abbe-Zahl v₂ des zweiten optischen Elements (5) geringer ist als ein festgelegter Grenzwert G: $$\left|\frac{n_1-1}{v_1}-\frac{n_2-1}{v_2}\right|\le G.$$

   
3. Wellenfrontmanipulator (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzwert G höchstens 0,01 beträgt.
4. Wellenfrontmanipulator (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzwert G höchstens 0,005 beträgt.
5. Wellenfrontmanipulator (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrag der Differenz der Abbe-Zahl des ersten optischen Elements v₁ und der Abbe-Zahl des zweiten optischen Elements v₂ einen festgelegten Grenzwert V nicht unterschreitet |v₁ - v₂| ≥ V.
6. Wellenfrontmanipulator (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzwert des Betrags der Differenz der Abbe-Zahlen V mindestens 5 beträgt.
7. Wellenfrontmanipulator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrag der Differenz der Brechzahlen des ersten optischen Elements n₁ und des zweiten optischen Elements n₂ einen festgelegten Grenzwert N nicht überschreitet |n₁ - n₂| ≤ N.
8. Wellenfrontmanipulator (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzwert des Betrags der Differenz der Brechzahlen N höchstens 0,05 beträgt.
9. Wellenfrontmanipulator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das erste optische Element (4) und das zweite optische Element (5) eine gemeinsame Kontaktfläche (6) in der Form einer Freiformfläche aufweisen.
10. Wellenfrontmanipulator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Freiformfläche (6, 26) dazu ausgelegt ist, eine Wellenfrontänderung ΔW(x,y) bei einer Grundwellenlänge zu erzeugen, indem die Freiform-Profilfunktion z(x,y) in Richtung der Bewegung der Elemente zueinander proportional zur Stammfunktion von ΔW(x,y) und senkrecht zur Bewegungsrichtung proportional zur Funktion ΔW(x,y) selbst ausgelegt ist, wobei x, y und z Koordinaten eines kartesischen Koordinatensystems sind und die z-Achse parallel zur Bezugsachse verläuft.
11. Wellenfrontmanipulator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei optischen Komponenten (2, 3) in Bezug auf ihre optischen Merkmale baugleich ausgestaltet sind.
12. Wellenfrontmanipulator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der optischen Komponenten (2, 3) mindestens eine plane Außenoberfläche (7), welche sich senkrecht zur Bezugsachse (9) erstreckt, aufweist.
13. Wellenfrontmanipulator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Komponenten (2, 3) relativ zueinander durch Translation in mindestens einer Richtung senkrecht zur optischen Achse (9) und/oder durch Rotation um eine parallel zur Bezugsachse (9) verlaufende Achse bewegbar angeordnet sind.
14. Wellenfrontmanipulator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenfrontmanipulator (1) mindestens einen Sensor zum Erfassen einer Position und/oder einer Bewegung der optischen Komponenten (2, 3) relativ zueinander umfasst.
15. Wellenfrontmanipulator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das erste optische Element (4) und das zweite optische Element (5) aus einem festen, optisch transparenten Material bestehen.
16. Wellenfrontmanipulator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der optischen Komponenten (2, 3) mindestens zwei optische Elemente (4, 5) umfasst, die eine relative Teildispersion aufweisen, welche sich um weniger als einen festgelegten Grenzwert T unterscheiden.
17. Wellenfrontmanipulator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der optischen Komponenten (2, 3) mindestens ein optisches Element (4, 5) umfasst, welches eine anomale relative Teildispersion aufweist.
18. Wellenfrontmanipulator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein optisches Element (4, 5) mindestens einer optischen Komponente (2, 3) Glas oder ein Optopolymer oder Kunststoff oder ein Monomer oder ein aushärtendes Material umfasst.
19. Optisches Gerät (20), welches einen Wellenfrontmanipulator (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche umfasst.
20. Verwendung wenigstens eines Wellenfrontmanipulators (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 18 zum Bewirken einer einstellbaren Änderung einer Wellenfront und/oder zum Herbeiführen wenigstens einer der Gruppe der folgenden Korrektionen bzw. Reduktionen: Koma, Astigmatismus, dichromatische Korrektion, trichromatische Korrektion, Reduktion des sekundären Spektrums, Reduktion des tertiären Spektrums und/oder zum Herbeiführen einer Fokussierung und/oder einer stellungsabhängigen Korrektion wenigstens eines Wellenfrontfehlers in einem Zoom-Objektiv oder einem Mikroskop, für eine Anordnung für einen schnellen Z-Scan oder für eine dreidimensionale Bildstabilisierung.

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