DE102022114814B3

DE102022114814B3 - Katadioptrische optische Anordnung, Objektiv, Bilderfassungsvorrichtung sowie Gerät

Info

Publication number: DE102022114814B3
Application number: DE102022114814.9A
Authority: DE
Inventors: Alexander Epple; David Shafer; Johannes Stock
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss AG
Priority date: 2022-06-13
Filing date: 2022-06-13
Publication date: 2023-07-27
Anticipated expiration: 2042-06-14
Also published as: CN117233944A; US20230400672A1

Abstract

Es wird eine optische Anordnung (1), welche eine Mittelachse (2), eine Objektseite (3), eine Bildseite (4) und eine katadioptrische Anordnung (10) umfasst, beschrieben, wobei die optische Anordnung (1) entlang der Mittelachse (2) von der Objektseite (3) bis zur Bildseite (4) einen Bauraum von maximal 25 Millimetern und eine lineare Obskuration von maximal 60 Prozent aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Anordnung, ein Objektiv, insbesondere für ein Mikroskop, eine Kamera und/oder einen Projektor, eine Bilderfassungsvorrichtung, eine Bildwiedergabevorrichtung und ein Gerät, insbesondere ein mobiles Gerät.
In dem Dokument DE 2 157 058 A wird ein Spiegellinsen-Objektiv für eine Abbildung mit gemeinsamer Objekt- und Bildseite offenbart. Diese Anordnung wird in dem Dokument als „katadioptrisch“ bezeichnet. Abweichend davon wird im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung unter einer katadioptrischen Anordnung eine Anordnung verstanden, welche einen ersten Spiegel mit sammelnder Brechkraft und einen nachfolgenden Spiegel mit zerstreuender Brechkraft umfasst.
Moderne Mobiltelefone weisen üblicherweise eine oder mehrere integrierte Kameras auf, mit denen qualitativ hochwertige Bilder oder Videos aufgenommen werden können. Diese Kameras sind nahezu ausschließlich auf der Vorder- und Rückseite des mobilen Geräts angebracht, wobei die optische Achse der zugehörigen Optik senkrecht zur Vorderseite und Rückseite ausgerichtet ist. Als Konsequenz ergibt sich, dass die Baulänge des optischen Systems durch die Dicke des Mobilgeräts, z.B. Mobiltelefons, gegeben ist. Typische Werte sind hier 6 mm bis 8,5 mm.
In dem genannten Bauraum lässt sich ein optisches System realisieren, dessen Brennweite vergleichbar mit der Länge des Bauraums L, also der Dicke des Mobilgeräts, ist. Der Telefaktor F=L/f`, der das Verhältnis der Baulänge L zur Brennweite f' angibt, beträgt ungefähr 1. Teleaufbauten, also Systeme mit einer Brennweite, welche größer ist als der Bauraum bzw. F<1, oder Retrofokusaufbauten, also Systeme deren Brennweite kürzer ist als die Baulänge bzw. F>1, sind nur sehr schwer zu realisieren. Es wird also nach einer Lösung zur Vergrößerung der Brennweite der Optik gesucht, um Nutzeranforderungen nach verbesserten Objektiven gerecht zu werden.
Weiterhin wird angestrebt, mit den genannten Kameras auch naheliegende Objekte mikroskopisch vergrößert abzubilden. Um eine gute Ausleuchtung sicherzustellen, muss ein großer Arbeitsabstand realisiert werden. Zudem soll das Objekt mit einem nahe bei 1:1 liegenden Abbildungsmaßstab abgebildet werden. Aus den beiden Forderungen folgt, dass die Baulänge des Objektivs vergleichbar mit dem vorderen Arbeitsabstand sein muss, was zur Folge hat, dass der klassische Bauraum hierfür nicht ausreicht. Es wird also nach einem Konzept gesucht, eine lange Brennweite bzw. lange Baulänge auf kurzem Bauraum zu realisieren.
Mikroskopobjektive können insbesondere als Spiegelobjektive (katadioptrische Objektive) ausgestaltet sein. Stand der Technik hierzu ist zum Beispiel in „Lexikon der Optik - Mikroskopobjektiv“ https://www.spektrum.de/lexikon/optik/mikroskopobjektiv/2067, US 10877244 B1 , US 2019/0187446 A1 , US 6169637 B1 und US 5930055 A offenbart. Eine Faltung des Strahlengangs entlang der optischen Achse kann zum Beispiel mithilfe von katadioptrischen Objektiven des Typs Cassegrain, Gregory, Schwarzschild oder Maksutov erfolgen. Während das Schwarzschild-System zu einer beträchtlichen Obskuration führt, ist bei den astronomischen Teleskopen vom Typ Cassegrain und Gregory die Petzvalsumme nicht mehr korrigiert. Die genannten Designaufbauten werden bereits in der klassischen Fotografie, insbesondere bei langbrennweitigen Objektiven angewandt. Diese Designtypen wurden auch bereits auf Mobiltelefonanwendungen übertragen. Beispiele hierfür sind in den Dokumenten US 10 877 244 B1 und US 2019/187446 A1 offenbart.
Eine katadioptrische Gruppe bildet grundsätzlich einen starken Teleaufbau aus einem ersten Spiegel mit sammelnder Brechkraft und einem nachfolgenden Spiegel mit zerstreuender Brechkraft. Diese Brechkraft-Abfolge stellt einen katadioptrischen Teleaufbau dar und bewirkt damit eine Baulängenverkürzung des Objektivs im Vergleich zur nominellen Brennweite. Zudem wird durch die Verwendung von reflektiven Komponenten der optische Weg in Richtung der optischen Achse gefaltet, was zudem zu einer Verkürzung der Baulänge führt. Insgesamt kann eine katadioptrische Gruppe zu sehr kleinen Telefaktoren F führen. Um die Obskuration des katadioptrischen Systems zu verkleinern müssen die Einzelbrechkräfte der Spiegelflächen angepasst werden. Dies führt jedoch dazu, dass das katadioptrische Grundsystem allein nicht mehr für alle Aberrationen korrigiert ist, sodass zusätzliche optische Korrekturelemente verwendet werden müssen. In den bereits genannten Dokumenten sind dies asphärische Linsen, die in Lichtausbreitungsrichtung gesehen hinter der katadioptrischen Gruppe, d.h. zwischen der katadioptrischen Gruppe und der Bildebene, angeordnet werden.
Um das optische System kompakt auslegen zu können, reichen die korrigierenden Linsenelemente teilweise sogar bis in den Spiegel-Zwischenraum hinein, was zu fassungstechnischen Herausforderungen führt. Darüber hinaus weisen sowohl die Vorder- als auch die Rückseite der katadioptrischen Blocklinse in den bereits genannten Dokumenten Sprungkanten auf, welche unerwünscht sind.
Im Zusammenhang mit der weiteren Entwicklung von Smartphones werden sogenannte „CMOS Imaging Sensors“ (CIS) mit immer kleiner werdenden Pixelgrößen und hocheffizienter, integrierter Bildverarbeitung verfügbar. Hiervon könnte auch die Mikroskopie hinsichtlich der Realisierung von kompakten und kostengünstigen Systemen profitieren. Insbesondere im mittleren Auflösungsbereich von einigen Mikrometern wird es dadurch möglich, Abbildungen mit einem Maßstab nahe 1:1 zu realisieren. Beträgt die Pixelgröße beispielsweise 1 µm (Kantenlänge), so sind nach dem Nyquist-Theorem Auflösungen bei einem Abbildungsmaßstab von 1:1 bis etwa 2 µm realisierbar. Verkleinernde Optiken könnten naturgemäß noch höhere Auflösungen erreichen.
Findet eine Abbildung von einem Objektraum in Luft in einen Bildraum in Luft statt, so weist eine 1:1 Abbildung noch die Besonderheit auf, dass nicht nur ein Flächenelement sondern ein ganzes Volumenelement mit hoher Abbildungsgüte jeweils aufeinander abgebildet werden kann. Dabei wird unter einem Objektraum ein Raumbereich verstanden, in welchem sich mindestens eine Objektebene oder mehrere Objektebenen der Abbildungsoptik befinden, und unter einem Bildraum wird ein Raumbereich verstanden, in welchem sich mindestens eine Bildebene oder mehrere Bildebenen der Abbildungsoptik befinden. Es wird daher angestrebt, eine Volumen-Abbildung mit einfacheren Mitteln zu realisieren.
Zur Erläuterung des technologischen Hintergrundes werden im Folgenden rotationssymmetrische Systeme betrachtet. Es sei ferner vorausgesetzt, dass der Öffnungsfehler des optischen Systems korrigiert sei. Dann kann der Bildpunkt in der Mitte des Bildfeldes aberrationsfrei abgebildet werden. Soll auch eine kleine Umgebung der Bildmitte aberrationsfrei übertragen werden, so müssen zudem noch weitere Bedingungen an das optische System gestellt sein. Der übliche Fall ist, dass eine laterale Ausdehnung des Objekts betrachtet wird, d.h. man möchte ein flächenartiges Objekt senkrecht zur optischen Achse zur Abbildung bringen. Dies ist beispielsweise in der Fotografie der Fall. Hierbei ist notwendigerweise die Sinusbedingung zu korrigieren. Sie besagt, dass der Sinus des Winkels der Öffnungsstrahlen mit der optischen Achse in der Objekt- und Bildebene ein festes Verhältnis bildet: $\frac{n \cdot sin (u)}{n' \cdot sin (u')} = β = c o n s t .$
Dabei ist n der Brechungsindex des jeweiligen Mediums, u der Winkel des Strahls mit der optischen Achse und β der Abbildungsmaßstab des Systems. Gestrichene Größen beziehen sich auf den Bildraum, ungestrichene auf den Objektraum. Das Verhältnis β muss für alle Öffnungen, also bei allen möglichen bis zur maximalen numerischen Apertur des Systems gelten.
Ein weniger oft betrachteter Fall ist, dass eine axiale Ausdehnung eines Objekts entlang der optischen Achse abgebildet werden soll. Dann muss die sogenannte Herschelbedingung erfüllt werden, die folgendermaßen formuliert werden kann: $\frac{n \cdot {sin}^{2} (\frac{u}{2})}{n' \cdot {sin}^{2} (\frac{u'}{2})} = α = c o n s t .$
Die Sinusbedingung und die Herschelbedingung sind nur dann gleichzeitig erfüllbar, wenn für die Randstrahlwinkel in Objektraum und Bildraum gilt $| u | = | u' |$
Daraus folgt für die lateralen Maßstäbe β und die Tiefenmaßstäbe α in der nominellen Bildebene $| α | = \frac{n}{n'} und | β | = \frac{n}{n'}$
Sind Objekt und Bild in Luft, so folgt $| α | = | β | = 1$
Liegt das Objekt in wässriger Lösung vor (n ≈ 1,334, n' = 1), so folgt andererseits |α| = |β| ≈ 1.334.
Sinusbedingung und Herschelbedingung sind also notwendige Voraussetzungen dafür, dass das Objekt in einer nahen Umgebung neben bzw. vor und hinter dem mittleren Bildpunkt der nominellen Objektebene aberrationsfrei abgebildet werden kann. Sie sind daher die Voraussetzung für eine Volumenabbildung.
Die gleichzeitige Erfüllung von Sinusbedingung und Herschelbedingung sagt aber noch nichts über die Ähnlichkeit von Objekt und Bild aus, d.h. ob ein würfelförmiges Objekt auch als würfelförmig abgebildet wird.
Die folgenden Überlegungen bilden eine Grundlage für einen Teilbereich der vorliegenden Erfindung und sind zugleich Bestandteil der Erfindung. Um die genannte weitere Bedingung sicherzustellen, müssen noch der Hauptstrahlwinkel im Objektraum und im Bildraum aneinander angepasst werden. Befinden sich Objekt und Bild in Luft, und sei γ der (geometrische) Hauptstrahlwinkel am Objekt. Dann liegt der Tiefenmaßstab |α| = 1 vor. Wird also die Schnittweite am Objekt um den Wert Δs₀=d₀ geändert, so muss die Bildebene um den Wert Δs₁=-d₀ nach fokussiert werden.
Der Hauptstrahl der ursprünglichen Abbildung schneidet dann die Objektebene im Allgemeinen in einer anderen Höhe. Um eine volumengetreue Abbildung sicherzustellen muss der Hauptstrahl im Bildraum die Objektebene in derselben modifizierten Höhe schneiden. Dies ist nur möglich, wenn die Summe des Hauptstrahlwinkels vor und hinter der Optik verschwindet (γ + γ' = 0). Dieser Zusammenhang ist in der 1 dargestellt. Bei einem einfachen, symmetrischen 1:1-System ist die nominelle Abbildung durch A₀>A₀' gegeben. Ändert man die Objektschnittweite und sind Sinusbedingung und Herschelbedingung erfüllt, so wird A₁->A₁' mit demselben Hauptstrahl abgebildet. Es ist offensichtlich, dass die Abbildung jedoch keine 1:1-Abbildung mehr beschreibt. Würfel werden auf Kegelstrümpfe abgebildet.
Werden die Hauptstrahlwinkel in Objektraum und Bildraum jedoch geeignet aneinander angepasst, so ist auch die modifizierte Abbildung wieder eine 1:1-Abbildung. Dies ist im vorliegenden, schematischen Fall beispielsweise durch die gezielte Verwendung einer Feldlinse möglich. Hier wird die Volumenabbildung wieder zu einer 1:1 Abbildung führen, Würfel werden also auf Würfel abgebildet.
Diese Beziehung gilt ebenso in der Verallgemeinerung von beliebigen Medien n, n' in Objekt- und Bildraum, der geometrische Winkel des Hauptstrahls im Objekt und im Bild muss sich zu null ergänzen. Dabei kann der vorzeichenbehaftete Abbildungsmaßstab mit in die Formel aufgenommen werden und dadurch das korrekte Vorzeichen sichergestellt werden. $n \cdot γ = β \cdot n' \cdot γ'$
Mit anderen Worten müssen konvergente Hauptstrahlen am Objekt zu konvergenten Hauptstrahlen am Bild werden und umgekehrt. Ein Spezialfall wäre, dass sowohl der objektseitige als auch der bildseitige Hauptstrahlwinkel verschwindet (γ = γ' = 0). Dann handelt es sich um eine doppelt telezentrische Optik. Eine doppelt telezentrische Optik ist jedoch im Anwendungsbereich der Mobilfunkoptiken unvorteilhaft, da sie sowohl die Durchmesser der Optikteile als auch die Baulänge in die Höhe treiben würde.
In den Dokumenten Switz et al., Low-Cost Mobile Phone Microscopy with a Reversed Mobile Phone Camera Lens. Plos One, Volume 9, Issue 5, e95330 (May 2014) und Diederich et al., Using machine-learning to optimize phase contrast in a low-cost cell-phone microscope, Plos One, March 1 (2018) (https://journals.plos.org/plosone/article?id=1 0.1371 /journal.pone.0192937) wird eine mikroskopische Abbildung unter anderem durch Vorschalten eines umgedrehten Handyobjektivs vor eine Smartphone-Kamera beschrieben. Es handelt sich jedoch nicht um ein telezentrisches System. Durch die Symmetrie ergeben sich objektseitig konvergente Hauptstrahlen, während bildseitig divergente Hauptstrahlen auftreten, sodass die Hauptstrahlwinkelbedingung verletzt ist, ein würfelförmiges Volumen wird somit auf ein Pyramidenstumpf-Volumen abgebildet. In Botcherby et al., Aberration-free optical refocusing in high numerical aperture microscopy, Optics letters, Vol 32, No 14, pg. 2007-2009 (2007) wird ein Aufbau aus Mikroobjektiven verwendet, der ein Zwischenbild mit der Vergrößerung 1:1 erzeugt.
Die Optiken für Mobiltelefonkameras umfassen fast ausschließlich reine Linsensysteme, die auf kleinstem Bauchraum in das Telefon integriert sind. Dabei muss das gesamte System in die Dicke des Telefons, welche typischerweise 5 mm oder 6 mm beträgt, integriert werden. Die erzielbare Brennweite einer entsprechend kurzen Optik ist dann vergleichbar mit der Baulänge der Optik oder sogar kürzer, beispielsweise zwischen 3 mm und 4 mm (siehe US 7 643 225 B1 und McGuire Jr., James P., Manufacturable mobile phone optics: higher order aspheres are not always better, Proc.SPIE 7652, International Optical Design Conference 2010, 765210 (9 September 2010), doi: 10.1117/12.871016). Gemeinsam mit einer typischen Empfängergröße, beispielsweise mit einer Diagonale von rund 4 mm, ergeben sich somit vom Charakter her eher Weitwinkelobjektive mit „Äquivalentbrennweiten“ von deutlich unter 50 mm. Für die Landschaftsfotografie ist dies wünschenswert und von Nutzern so akzeptiert. Der Eindruck längerbrennweitiger Aufnahmen wird durch digitales Zoomen realisiert. Dennoch gibt es verstärkt den Wunsch an einem Mobiltelefon oder Smartphone über echte längerbrennweitige Objektive zu verfügen, etwa für die Porträt- oder Telefotografie. Dies bedingt längere Brennweiten, die aber mit dem kompakten Bauraum nicht kompatibel sind.
Wie oben bereits beschrieben, besteht die Möglichkeit den Bauraum auch mit zentrierten Optiken durch eine Faltung des Strahlengangs entlang der optischen Achse effizient zu nutzen. Eine Konsequenz davon ist allerdings, dass eine Pupillenobskuration auftritt, d.h. der zentrale Teil der Optikpupille erhält kein Licht.
Die Obskuration wird typischerweise durch das Durchmesserverhältnis des Durchmessers der Abschattung zum Durchmesser der Objektpupille angegeben. In der 2 ist dargestellt, wie die Obskuration zu berechnen ist. Zunächst wird die Abbildung der Feldmitte durch ein geöffnetes Strahlenbündel 17 betrachtet. Es gibt einen Lichtstrahl R₁, der im Verlauf durch das optische System nachfolgende Flächen streift, im Falle der 2 ist dies die zweite optische Fläche 32 (Sekundärspiegel), die im einfallenden Lichtstrahl obskurierend wirkt. Strahlen mit einem kleineren Wert der Systemapertur, d.h. Strahlen, die zwischen der optischen Achse 2 und dem betrachteten Strahl R₁ verlaufen, werden demzufolge durch die nachfolgenden Flächen geblockt. Strahlen mit einem größeren Wert der Systemapertur bis zum Randstrahl R₀ werden das System ungehindert durchtreten können, werden also von einem radial äußeren Bereich der Fläche 31 (Primärspiegel) zum Sekundärspiegel 32 hin reflektiert und durchtreten nach einer Reflexion an der Fläche 31 den radial inneren Bereich der Fläche 31 bzw. des Primärspiegels. Die Obskuration entspricht daher dem Verhältnis der Eintrittspupillenkoordinaten des Strahls R₁ und des Strahls R₀. Im Falle eines kollimierten Lichteingangsstrahls (teleskopische Abbildung) ist dies das Höhenverhältnis von R₁ und R₀ in der Eintrittspupille, also in der 2 das Verhältnis der Höhen h₁ und h₀.
Im Falle eines endlichen Lichteingangs (Projektionsobjektiv) ist dies das Verhältnis der Richtungskosinus rvl₀ des Strahls R₁ und rvl₁ des Strahls R₀. Der Richtungskosinus rvl₀ des Strahls R₀ gibt dabei gerade die numerische Apertur des Objektraums an. Es ist erwünscht, die Obskuration so klein wie möglich zu halten. Hierfür sind die folgenden Gründe maßgeblich. Je größer die Obskuration, desto mehr Licht wird abgeschattet, was zur Notwendigkeit von größeren Belichtungszeiten führt. Dieser Effekt hängt quadratisch von der Obskuration ab. Je größer die Obskuration, desto kontrastärmer werden insbesondere langweilige Strukturen abgebildet, es sinkt also der zugehörige Bildkontrast, charakterisiert über die Modulationsübertragungsfunktion MTF. Dieser Effekt hängt linear von der Obskuration ab. Weiterhin kann sich die Obskuration am Bokeh, d.h. den fokussierten Bildern von Spitzlichtern, unangenehm als „Donuts“ bemerkbar machen.
Katadioptrische Fotoobjektive sind beispielsweise in den Dokumenten US 4 714 307 B1 und US 6 169 637 B1 offenbart. Hierbei treten jedoch große Obskurationen auf. Auch bei Mehrfachreflexionen in Linsenkörpern treten naturgemäß große Werte für die Obskuration auf (siehe beispielsweise US 5 930 055 B1 ).
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine vorteilhafte optische Anordnung zur Verfügung zu stellen. Weitere Aufgaben bestehen darin, ein vorteilhaftes Objektiv, eine vorteilhafte Bilderfassungsvorrichtung, eine vorteilhafte Bildwiedergabevorrichtung und ein vorteilhaftes mobiles Gerät zur Verfügung zu stellen. Diese Aufgaben werden durch eine optische Anordnung gemäß Patentanspruch 1, ein Objektiv gemäß Patentanspruch 26, eine Bilderfassungsvorrichtung gemäß Patentanspruch 27, eine Bildwiedergabevorrichtung gemäß Patentanspruch 27 und ein Gerät gemäß Patentanspruch 28 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Die erfindungsgemäße optische Anordnung umfasst eine Mittelachse (welche mit der optischen Achse zusammenfallen kann), eine Objektseite, eine Bildseite und eine katadioptrische Anordnung, wobei die katadioptrische Anordnung einen ersten Spiegel mit sammelnder Brechkraft und einen nachfolgenden Spiegel mit zerstreuender Brechkraft umfasst. Die optische Anordnung weist entlang der Mittelachse von der Objektseite bis zur Bildseite einen Bauraum oder eine Gesamtlänge L von maximal 25 Millimetern (25mm), vorzugsweise von maximal 10 Millimetern (10mm) auf. Die optische Anordnung weist zudem eine lineare Obskuration von maximal 60 Prozent auf.
Für die Anwendungen als Fotoobjektiv (mit kollimiertem Eingang) kann die Brennweite bevorzugt zwischen 15 mm und 30 mm betragen, z.B. 20 mm oder etwa 20 mm. Für Anwendungen in mobilen Geräten, z.B. Smartphones kann der Bauraum oder die Gesamtlänge maximal 9 mm, vorteilhafterweise maximal 6,5 mm, betragen. Der Abstand vom Objekt zur Optik (Arbeitsabstand FWD) kann im Falle des Mikroskopaufbaus, also einer Anwendung als Mikroskop, mindestens 15 mm betragen.
Die erfindungsgemäße optische Anordnung hat den Vorteil, dass sie auf geringem Bauraum hochwertige mikroskopische Abbildungen mit geringer Obskuration ermöglicht.
In einer ersten Variante umfasst die katadioptrische Anordnung ein erstes, teilverspiegeltes optisches Bauteil mit einer objektseitig angeordneten Vorderseite und einer bildseitig angeordneten Rückseite und ein zweites, teilverspiegeltes optisches Bauteil mit einer objektseitig angeordneten Vorderseite und einer bildseitig angeordneten Rückseite, welche im Strahlengang entlang der Mittelachse nacheinander, insbesondere hintereinander, angeordnet sind, sodass das erste optische Bauteil bildseitig von dem zweiten optischen Bauteil angeordnet ist. Das erste optische Bauteil, vorzugsweise die Rückseite des ersten optischen Bauteils, umfasst bezüglich der Mittelachse einen radial inneren Bereich und einen radial äußeren Bereich, wobei der innere Bereich für objektseitig einfallendes Licht zumindest teilweise transmittierend bzw. transparent ausgestaltet ist und der äußere Bereich an der Rückseite für objektseitig einfallendes Licht reflektierend ausgestaltet ist. Das zweite optische Bauteil umfasst bezüglich der Mittelachse einen radial inneren Bereich und einen radial äußeren Bereich, wobei der äußere Bereich für objektseitig einfallendes Licht transmittierend bzw. transparent ausgestaltet ist und der innere Bereich für bildseitig einfallendes Licht reflektierend ausgestaltet ist. Hierbei kann die Vorderseite oder die Rückseite des zweiten optischen Bauteils einen reflektierenden Oberflächenbereich aufweisen. Weiterhin sind in der vorliegenden Variante im Strahlengang zwischen der Rückseite des ersten optischen Bauteils und der Vorderseite des zweiten optischen Bauteils mindestens eine erste brechkraftbehaftete, also eine Brechkraft aufweisende, refraktive Oberfläche und eine zweite brechkraftbehaftete, also eine Brechkraft aufweisende, refraktive Oberfläche angeordnet.
Zum Beispiel können die Vorderseite des ersten optischen Bauteils und die Vorderseite und/oder die Rückseite des zweiten optischen Bauteils transparent ausgestaltet sein. Die jeweils reflektiv ausgestalteten Bereiche können kreisförmig oder ringförmig ausgestaltet sein. Der teilverspiegelte Bereich des ersten optischen Bauteils kann objektseitig konkav ausgebildet sein. Der teilverspiegelte Bereich des zweiten optischen Bauteils kann bildseitig konvex ausgebildet sein.
Die beschriebene erste Variante der vorliegenden Erfindung hat den Vorteil, dass im Strahlengang nach der katadioptrischen Anordnung keine weiteren, also keine einfach lichtdurchtretenden, brechkraftbehafteten optischen Elemente erforderlich sind. Unter brechkraftbehafteten Elementen werden hierbei keine Planparallelplatten, wie beispielsweise Schutzschutzfenster vor einem Bildempfänger, verstanden. Die zwischen dem ersten optischen Bauteil und dem zweiten optischen Bauteil angeordneten oder durch die einander zugewandten Oberflächen des ersten optischen Bauteils und des zweiten optischen Bauteils gebildeten brechkraftbehafteten Oberflächen ermöglichen eine bauraumsparende effiziente Korrektur von Aberrationen. Weiterhin ist die beschriebene Ausgestaltung fassungstechnisch gegenüber dem Stand der Technik deutlich einfacher ausgestaltet, weshalb gleichzeitig die Herstellungskosten reduziert werden können.
In einer beispielhaften Ausgestaltung kann die erste brechkraftbehaftete refraktive Oberfläche durch die Vorderseite des ersten optischen Bauteils und/oder die zweite brechkraftbehaftete refraktive Oberfläche durch die Rückseite des zweiten optischen Bauteils gebildet werden. Die genannten Oberflächen können als Asphären oder Freiformflächen ausgestaltet sein und somit zur gezielten Korrektur von Abbildungsfehlern ausgelegt sein. Unter einer Asphäre wird eine Linse mit einer rotationssymmetrischen Oberfläche verstanden, deren Oberfläche Oberflächenbereiche mit voneinander abweichenden Krümmungsradien aufweisen kann.
Das erste optische Bauteil kann so ausgestaltet sein, dass ausschließlich die Vorderseite und/oder ausschließlich die Rückseite eine Brechkraft aufweisen, also brechkraftbehaftet sind, und bildseitig des ersten optischen Bauteils unmittelbar die Bildebene angeordnet ist, also ohne eine weitere, im Strahlengang einfach lichtdurchtretene, optisch wirksame Fläche, insbesondere refraktive oder diffraktive Fläche. Mit anderen Worten kann die optische Anordnung zur Anordnung eines Bildempfängers bzw. einer Bilderfassungsvorrichtung im Strahlengang unmittelbar hinter der Rückseite des ersten optischen Bauteils ausgelegt sein.
Optional kann geometrisch und im Strahlengang zwischen dem ersten optischen Bauteil und dem zweiten optischen Bauteil mindestens ein drittes optisches Bauteil angeordnet sein. Das mindestens eine dritte optische Bauteil ist bevorzugt refraktiv ausgestaltet. Das mindestens eine dritte optische Bauteil kann zur Korrektion von mindestens einem Abbildungsfehler ausgelegt sein. Hierdurch wird die Abbildungsqualität weiter verbessert.
Vorteilhafterweise, insbesondere fassungstechnisch von Vorteil, weicht die radiale Ausdehnung der einzelnen optischen Bauteile, also des ersten und/oder zweiten und/oder dritten optischen Bauteils, der optischen Anordnung maximal 2 Millimeter oder maximal 30 Prozent voneinander ab.
Der äußere Bereich und der innere Bereich der Rückseite des ersten optischen Bauteils können voneinander abweichende Oberflächenformen aufweisen. Zusätzlich oder alternativ dazu können der äußere Bereich und der innere Bereich der Vorderseite und/oder der Rückseite des zweiten optischen Bauteils voneinander abweichende Oberflächenformen aufweisen. Dies bietet in Bezug auf weitere Freiheitsgrade zur Kollektion von Operationen Vorteile. Der äußere bzw. innere Bereich der Rückseite bzw. Vorderseite wird dabei durch die oben beschriebenen inneren bzw. äußeren Bereiche des jeweiligen Bauteils vorgegeben.
Die genannten optischen Bauteile können rotationssymmetrisch in Bezug auf die Mittelachse ausgestaltet sein. Zwischen mindestens zwei der genannten optischen Bauteile kann eine Luftlinse, also ein luftgefüllter Abstand, angeordnet sein. Die Eintrittspupille kann eine Ausdehnung zwischen 7mm und 9mm, z.B. 8mm, aufweisen. Mindestens eins der genannten optischen Bauteile kann mindestens eine asphärische Oberfläche oder eine Freiformoberfläche aufweisen. Mindestens zwei der optischen Bauteile können aus demselben Material bestehen, wodurch Fertigungskosten reduziert werden können. Mindestens ein reflektierend ausgestalteter Bereich kann als sammelnder Manginspiegel ausgestaltet sein.
In einer zweiten Variante der vorliegenden Erfindung ist im Strahlengang und/oder geometrisch zwischen der katadioptrischen Anordnung und der Bildseite, also zwischen der Rückseite des ersten optischen Bauteils und der Bildebene, mindestens eine Feldlinse, z.B. eine refraktive Feldlinse, angeordnet. Unter einer Feldlinse wird im vorliegenden Zusammenhang eine Linse verstanden, die an einer Stelle des optischen Strahlengangs angeordnet ist, an der die Hauptstrahlhöhe der Abbildung größer oder gleich der Randstrahlhöhe ist. Insbesondere kann im Strahlengang und/oder geometrisch zwischen der katadioptrischen Anordnung und der Bildseite eine Feldlinsengruppe angeordnet sein. Die mindestens eine Feldlinse kann als Sammellinse, also Linse mit positiver Brechkraft, und/oder als Zerstreuungslinse, also Linse mit negativer Brechkraft, ausgestaltet sein. Es kann zum Beispiel nur eine Sammellinse oder nur eine Zerstreuungslinse als Feldlinse vorhanden sein. Dies begünstigt einen einfachen und kompakten Aufbau der optischen Anordnung und ermöglicht die Realisierung eines konvergenten Hauptstrahls zur Realisierung einer korrekten Volumenabbildung. Im Falle einer Feldlinsengruppe kann diese mindestens eine Sammellinse und/oder mindestens eine Zerstreuungslinse umfassen.
Beispielsweise kann im Strahlengang und/oder geometrisch zwischen der katadioptrischen Anordnung und der Bildseite der optischen Anordnung, also zwischen der Rückseite des ersten optischen Bauteils und der Bildebene, mindestens eine, z.B. refraktive, Feldlinsengruppe angeordnet sein, welche mindestens eine Linse oder Linsengruppe mit positiver Brechkraft und/oder mindestens eine Linse oder Linsengruppe mit negativer Brechkraft umfasst. Hierdurch ergeben sich zahlreiche Freiheitsgrade zur Aberrationskorrektur und zur Verbesserung der Qualität einer insbesondere mikroskopischen Abbildung. Vorteilhafterweise umfasst die Feldlinsengruppe eine erste Linse oder Linsengruppe mit positiver Brechkraft und eine zweite Linse oder Linsengruppe mit negativer Brechkraft, welche im Strahlengang vor der ersten Linse oder Linsengruppe, also objektseitig von dieser, angeordnet ist. Hierdurch lassen sich die Bedingungen für eine Volumenabbildung realisieren, insbesondere eine Lage der Austrittspupille hinter der Bildebene durch eine einem sehr stark divergierenden Hauptstrahl nachgeordnete starke bildnahe positive Brechkraft. Insbesondere kann der Betrag des geometrischen Hauptstrahlwinkels mit der optischen Achse oder der Mittelachse im Objektraum und im Bildraum im Wesentlichen gleich sein. Dabei kann sich der Betrag des Hauptstrahlwinkels im Objektraum und im Bildraum um maximal 5 Grad unterscheiden.
Als weitere Option kann die katadioptrische Anordnung eine objektseitig angeordnete Vorderseite, eine bildseitig angeordnete Rückseite und bezüglich der Mittelachse einen radial inneren Bereich und einen radial äußeren Bereich umfassen, wobei der innere Bereich an der Rückseite für objektseitig einfallendes Licht zumindest teilweise transmittierend bzw. transparent ausgestaltet ist und eine negative Brechkraft aufweist. Dies hat den Vorteil, dass der innere Bereich der Rückseite als Linse ausgestaltet sein und als solche wirken kann und entsprechende Funktionen einer Feldlinse in die katadioptrische Anordnung integriert werden können, was sich wiederum bauraumreduzierend auswirkt.
Die katadioptrische Anordnung kann z.B. ein erstes, teilverspiegeltes optisches Bauteil mit einer objektseitig angeordneten Vorderseite und einer bildseitig angeordneten Rückseite und ein zweites, teilverspiegeltes optisches Bauteil mit einer objektseitig angeordneten Vorderseite und einer bildseitig angeordneten Rückseite umfassen, welche im Strahlengang entlang der Mittelachse nacheinander, insbesondere hintereinander, angeordnet sind, sodass das erste optische Bauteil bildseitig von dem zweiten optischen Bauteil angeordnet ist. Dabei kann das erste optische Bauteil, z.B. die Rückseite des ersten optischen Bauteils, bezüglich der Mittelachse einen radial inneren Bereich und einen radial äußeren Bereich umfassen, wobei der innere Bereich für objektseitig einfallendes Licht zumindest teilweise transmittierend bzw. transparent ausgestaltet ist und der äußere Bereich an der Rückseite für objektseitig einfallendes Licht reflektierend ausgestaltet ist. Das zweite optische Bauteil, z.B. die Vorderseite oder die Rückseite, umfasst dabei bezüglich der Mittelachse einen radial inneren Bereich und einen radial äußeren Bereich, wobei der äußere Bereich für objektseitig einfallendes Licht transmittierend bzw. transparent ausgestaltet ist und der innere Bereich für bildseitig einfallendes Licht reflektierend ausgestaltet ist. Dabei kann die Vorderseite oder die Rückseite oder eine Fläche im Inneren des Bauteils reflektierend ausgebildet sein. Vorteilhafterweise weist der radial innere Bereich des ersten optischen Bauteils eine negative Brechkraft auf. Dies hat die im vorherigen Absatz genannten Vorteile.
Bevorzugt ist die optische Anordnung nicht symmetrisch bezüglich einer senkrecht zur Mittelachse angeordneten Ebene ausgestaltet. Eine nicht symmetrische Anordnung bietet im Vergleich zu symmetrischen Anordnungen Vorteile im Zusammenhang mit der Realisierung von möglichst geringem Bauraum. In einer weiteren bevorzugten, weil unter anderem bauraumeffizienten, Ausgestaltung erzeugt die optische Anordnung kein reelles Zwischenbild oder eine gerade Anzahl an Zwischenbildern zwischen der Objektseite und der Bildseite (bzw. zwischen einer Objektebene und Bildebene). Hierdurch kann ein negativer Abbildungsmaßstab erzeugt werden.
In einer dritten Variante der vorliegenden Erfindung ist bildseitig der katadioptrischen Anordnung eine Feldlinsengruppe, vorzugsweise eine refraktive Feldlinsengruppe, angeordnet. Die optische Anordnung definiert eine Bildebene. Zudem weist die optische Anordnung eine Baulänge L_s gemessen von dem Scheitel der ersten optischen Fläche, z.B. der Vorderseite der katadioptrischen Anordnung oder des zweiten optischen Bauteils, bis zur Bildebene auf und die Feldlinsengruppe weist eine paraxiale Brennweite f'_FL auf, welche kleiner ist als Null (f'_FL<0), wobei der Betrag der paraxialen Brennweite f'_FL kleiner ist als die Baulänge L_s (|f'_FL|<L_s). Die dritte Variante hat vor allem den Vorteil, dass die Obskuration deutlich reduziert wird.
Die Ursache für die Obskuration ist prinzipiell in der Tatsache begründet, dass in der Regel ein konvexer Sekundärspiegel geometrisch vor einem konkaven Hauptspiegel einer katadioptrischen Anordnung angeordnet ist und diesen daher abschattet. Wie oben bereits ausgeführt, liegt eine erste grobe Abschätzung für den Wert der Obskuration daher im Verhältnis der äußeren Durchmesser der beiden reflektierenden Oberflächen. Diese Abschätzung würde die wahre Obskuration angeben, wenn zwischen den beiden Spiegeln bzw. reflexiv ausgestalteten Bereichen kein weiteres optisches Element vorhanden wäre und wenn der Feldwinkel gegen null gehen würde.
Eine Optik zwischen den Spiegeln kann die Obskuration günstig beeinflussen. Ein endlicher Feldwinkel vergrößert die Obskuration. Für die konkrete Auslegung der Obskuration sind zwei Punkte ausschlaggebend. Am geometrisch objektnahen Sekundärspiegel wird das in die optische Anordnung eintretende Lichtbündel durch die Kontur des Sekundärspiegels, überwiegend des reflexiv ausgestalteten inneren Bereichs des zweiten optischen Bauteils, beschnitten. Am geometrisch bildnahen Primärspiegel, überwiegend dem reflexiv ausgestalteten äußeren Bereich des ersten optischen Bauteils, wird das reflektierte Lichtbündel durch die den zentralen bzw. radial inneren Bereich, welcher zur Ausleitung des von dem Sekundärspiegel reflektierten Lichts dient, beschnitten.
Um die Obskuration möglichst gering zu halten sollte der Durchmesser des Sekundärspiegels minimal sein und der Durchmesser des transmissiv ausgestalteten inneren Bereichs des Primärspiegels minimal sein. Zunächst betrachte man die zweite Bedingung, was in der 3 schematisch illustriert wird. Gedanklich drehe man den Strahlengang vom Objektiv um und verfolge die Lichtstrahlen vom Detektor rückwärts durch das optische System. Läge hypothetisch ein telezentrisch beleuchteter Detektor (siehe 3 links oben) vor, so wächst der Strahldurchmesser d₀ vor dem Detektor bzw. der Bildebene 6 mit dem Abstand stark an. Läge der Primärspiegel im Abstand L₀ vor der Bildebene 6, so müsste dessen zentrale Bohrung bzw. der radial innere Bereich mindestens die Größe der Detektordiagonalen plus der durch Strahldivergenz erhöhten Durchmesser der Lichtbündel aufweisen.
Weicht man von der Telezentrie am Detektor dahingehend ab, dass die Hauptstrahlen am Detektor vor der optischen Achse divergieren (siehe 3 links unten), d.h. die Austrittspupille liegt nahe vor der Bildebene 6, so kann der Bündeldurchmesser d₁ auf Höhe der zentralen Bohrung bzw. des radial inneren Bereichs des ersten Spiegels (wieder angenommen im Abstand L₀ vor dem Detektor) deutlich kleiner ausgelegt werden. Allerdings bedingt der katadioptrische Aufbau, dass die Systempupille im katadioptrischen Teil des Systems liegt. Daher muss trotz vorteilhafter stark nicht-telezentrischer Verhältnisse am Bild die Pupillenlage von der Bildebene ferngehalten werden. Die Lösung hierfür liegt in der Verwendung einer Feldlinsengruppe mit starker negativer Brechkraft, wie es in der 3 rechts schematisch gezeigt ist. Unter einer Feldlinse wird dabei eine Linse verstanden, die in der Nähe eines Detektors angeordnet ist und die beispielsweise dadurch charakterisiert ist, dass die Hauptstrahlhöhe größer ist als die Randstrahlhöhe.
Durch die Verwendung von Feldlinsen mit negativer Brechkraft ist der Durchmesser des Lichtbündels auf Höhe der zentralen Öffnung bzw. des radial inneren Bereichs des ersten Spiegels minimal, was der Obskuration des Gesamtsystems förderlich ist. Es muss jedoch beachtet werden, dass die starke negative Brechkraft in der Nähe der Bildebene einen großen überkorrigierenden Beitrag zur Petzvalsumme des Systems liefert. Der für die Abbildung notwendige sammelnde Spiegel liefert ebenfalls einen überkorrigierenden Beitrag zur Petzvalsumme. Das einzige Element, welches einen signifikanten und überkorrigierenden Beitrag zur Petzvalsumme liefert, ist der konvexe Sekundärspiegel. Um zu einer ausgeglichenen Petzvalsumme zu kommen muss also die Krümmung des Sekundärspiegels zunehmen. Dies führt wiederum dazu, dass die Randstrahlhöhe am Ort des Sekundärspiegels kleiner werden muss, um die Auswirkungen seiner erhöhten Krümmung auf den die Gesamtbrechkraft des Systems nicht zu groß werden zu lassen. Die Gesamtbrechkraft des optischen Systems bzw. der optischen Anordnung ist gegeben durch die Summe über das Produkt der Brechkräfte der einzelnen Flächen und der relativen Randstrahlhöhe. Unter der relativen Randstrahlhöhe versteht man dabei den Quotienten aus Randstrahlhöhe und Eintrittspupillenradius. Die genannten Bedingungen führen also zu einer Verkleinerung des Sekundärspiegels und einer Verringerung der Obskuration. Zusammenfassend ist es für die Verringerung der Obskuration förderlich, eine starke negative Brechkraft in der Feldlinsengruppe zwischen der katadioptrischen Anordnung und einer Bildebene oder der Bildseite der optischen Anordnung zu verwenden. Vorzugsweise ist der Betrag der paraxialen Brennweite f'_FL kleiner als die Baulänge L_s (|f'_FL|<L_s)
Um diese Brechkraft mathematisch anzugeben kann entweder auf die klassische, paraxiale Brechkraft oder auf eine auf Hüllradien basierende Brechkraft zurückgegriffen werden. Die klassische Brechkraft $φ' = \frac{1}{ƒ'}$
einer dünnen Linse in Luft ist durch die Scheitelradien r₁, r₂ einer Linse und die Brechzahl bzw. den Brechungsindex n des Linsenmediums gegeben als $φ' = (n - 1) (\frac{1}{r_{1}} - \frac{1}{r_{2}})$
Dabei ist f' die bildseitige Brennweite der Linse. Im Bereich der Mobiltelefonoptik werden sehr stark asphärische optische Elemente eingesetzt, sodass eine paraxiale Brechkraft oftmals nur eine sehr begrenzte Aussagekraft über die wahre Wirkung des optischen Elements hat. Es ist durchaus üblich, die asphärischen Flächen so stark auszubilden, dass optische Elemente im radial inneren Bereich ein anderes Vorzeichen der Brechkraft haben als im radial äußeren Bereich. Sie können zum Beispiel in der Nähe der optischen Achse oder Mittelachse, also im radial inneren Bereich, sammelnd ausgelegt sein und im Randbereich oder radial äußeren Bereich jedoch zerstreuend ausgelegt sein. Um der Forderung nach einer zerstreuenden Wirkung auf die Hauptstrahlen im Randbereich oder radial äußeren Bereich der Feldlinsen Ausdruck zu verleihen, soll daher eine Hüllradien-Brechkraft definiert werden. Diese basiert auf den Hüllradien der die jeweiligen Flächen begrenzenden Flächen.
Es sei p die Pfeilhöhe einer Linsenfläche in der maximalen optisch freien Höhe h_Max der Linse, also senkrecht zur Mittelachse der Linse gemessen. Dann kann ein Kreis bestimmt werden, der die Linsenfläche sowohl am Scheitel als auch in der Höhe h_Max schneidet. Dieser Kreis hat den Radius $r_{b ƒ} = \frac{h_{M a x}^{2} + p^{2}}{2 p}$
r_bf wird nun als Hüllradius definiert (englisch: Best Fit Radius). Nun kann analog zur paraxialen Brechkraft die Hüllradien-Brechkraft φ_hr' definiert werden: $φ_{h r}' = (n - 1) (\frac{1}{r_{h f,1}} - \frac{1}{r_{h f,2}})$
Dabei sind r_hr,₁ und r_hr,₂ die jeweiligen Hüllradien der Vorderseite und der Rückseite.
Bildseitig der katadioptrischen Anordnung kann mindestens eine Feldlinse, z.B. eine Feldlinsengruppe, welche vorzugsweise refraktiv ausgestaltet ist, angeordnet sein und die optische Anordnung kann eine Bildebene definieren. Die optische Anordnung kann bildseitig von der Rückseite der katadioptrischen Anordnung, insbesondere der Rückseite des ersten optischen Bauteils der katadioptrischen Anordnung, einen freien optischen Durchmesser D₂ aufweisen. Unter dem freien optischen Durchmesser wird dabei die maximale Strahlhöhe (d.h. Abstand zur optischen Achse oder Mittelachse) eines zur Abbildung kommenden Lichtstrahls auf dieser Fläche verstanden. Eine durch die optische Anordnung definierte Bildebene kann eine Abbildungsfläche mit einem Durchmesser D₁ aufweisen. Die Abbildungsfläche definiert dabei den Bereich der Bildebene, in welchem durch die optische Anordnung eine Abbildung erzeugt werden kann. Die optische Anordnung kann auch einen Bildempfänger mit einem Durchmesser D₁ aufweisen. Dabei ist das Verhältnis des freien optischen Durchmessers D₂ zu dem Durchmesser D₁ der Abbildungsfläche oder des Bildempfängers kleiner ist als 1 (D₂/D₁ < 1). Es wird also durch die Feldlinse oder Feldlinsengruppe der Strahlengang aufgeweitet und damit die Obskuration reduziert.
Weiterhin kann bildseitig der katadioptrischen Anordnung mindestens eine Feldlinse, z.B. eine Feldlinsengruppe, welche vorzugsweise refraktiv ausgestaltet ist, angeordnet sein und die optische Anordnung kann eine Bildebene definieren, wobei die optische Anordnung eine Brennweite f' und eine Baulänge L_s gemessen von dem Scheitel der ersten optischen Fläche, z.B. der Vorderseite der katadioptrischen Anordnung oder des zweiten optischen Bauteils, bis zur Bildebene aufweist, wobei das Verhältnis der Brennweite f' zu der Baulänge L_s größer ist als 2 (f'/L_s > 2). Es wird hierdurch eine mikroskopische Abbildung mittels Optiken, welche für mobile Geräte, wie z.B. für Mobilphones, ausgelegt sind, realisierbar.
Zudem kann bildseitig der katadioptrischen Anordnung mindestens eine Feldlinse, z.B. eine Feldlinsengruppe, welche vorzugsweise refraktiv ausgestaltet ist, angeordnet sein und die optische Anordnung kann eine Bildebene definieren. Dabei weist die optische Anordnung einen Abbildungsmaßstab β, einen entlang der Mittelachse der optischen Anordnung gemessenen Abstand FWD einer Objektebene, insbesondere einer Objektfläche, zum Scheitel der ersten optischen Fläche, z.B. der Vorderseite der katadioptrischen Anordnung oder der Vorderseite des zweiten optischen Bauteils, und eine Baulänge L_s gemessen von dem Scheitel der ersten optischen Fläche bis zur Bildebene auf. Das Produkt aus dem Abbildungsmaßstab β und dem Quotienten aus dem Abstand FWD und der Baulänge L_s ist hierbei größer als 2. $\frac{F W B}{L s} β > 2$
Auch diese Ausgestaltung ermöglicht mikroskopische Abbildungen bei nur sehr geringem verfügbarem Bauraum für eine entsprechende Optik.
Optional kann der Hauptstrahlwinkel des Strahlengangs unmittelbar vor dem Verlassen der katadioptrischen Anordnung an deren Rückseite, an welcher die katadioptrische Anordnung einen Brechungsindex n₂ aufweist, einen Richtungskosinus rvl₂ aufweisen und der Hauptstrahlwinkel des Strahlengangs kann in einer Bildebene in einem bildseitigen Medium mit einem Brechungsindex n₁, z.B. an einem Detektor, einen Richtungskosinus rvl₁ aufweisen, wobei gilt $\frac{n_{2} r v l_{2}}{n_{1} r v l_{1}} < 1$
Durch diese Ausgestaltung wird die Obskuration effektiv reduziert.
Der geometrische Winkel des Hauptstrahls mit der optischen Achse kann im Objektraum einen ersten Betrag aufweisen und der geometrische Winkel des Hauptstrahls mit der optischen Achse kann im Bildraum einen zweiten Betrag aufweisen, der sich um weniger als 1 Grad von dem ersten Betrag unterscheidet. Hierdurch lässt sich eine volumengetreue Abbildung mit reduzierter Obskuration realisieren.
In allen zuvor beschriebenen Varianten kann die Anordnung einen negativen Abbildungsmaßstab und/oder eine positive Eintrittspupillenlage und/oder eine positive Austrittspupillenlage aufweisen. Die Vorderseite des zweiten optischen Bauteils kann randnah eine konkave Form aufweisen. Der negative Abbildungsmaßstab hat zur Folge und den Vorteil, dass kein Zwischenbild erzeugt wird. Die Eintrittspupillenlage ist bevorzugt nahe bei 0, da die Systemblende entweder auf der ersten Fläche, spätestens aber auf dem „ersten optischen Element“ liegt. Die positive Lage der Austrittspupille ergibt sich, wenn die Hauptstrahlen hinter der Bildebene die optische Achse schneiden, was erfindungsgemäß angestrebt wird.
Der Strahlengang kann eine gerade Anzahl an Spiegelungen bzw. Reflexionen aufweisen. Zur effizienten Reduzierung des Bauraums kann die optische Anordnung in Bezug auf keine Ebene senkrecht zur Mittelachse symmetrisch aufgebaut sein. Der Aufbau ist also diesbezüglich nicht-symmetrisch.
Die optische Anordnung kann eine Aperturblende aufweisen und der geometrische Abstand zwischen einer durch die optische Anordnung definierten Objektebene und der Aperturblende ist vorzugsweise größer als der Abstand zwischen der Aperturblende und einer durch die optische Anordnung definierten Bildebene.
Bevorzugt ist mindestens eine, vorteilhafterweise zwei oder mehr oder alle oder alle bis auf eine oder alle bis auf zwei, der optischen bzw. optisch wirksamen Flächen im Strahlengang stetig und mindestens einmal stetig differenzierbar ausgestaltet. Insbesondere kann die jeweilige Fläche eine einheitliche polynomiale Flächenbeschreibung über die gesamte Fläche aufweisen. Dies ist vor allem fertigungstechnisch von Vorteil, bietet aber auch zur Reduzierung von Aberrationen eine ausreichende Anzahl an Freiheitsgraden.
Die optische Anordnung weist vorteilhafterweise eine lineare Obskuration von weniger als 50 Prozent, z.B. weniger als 40 Prozent, auf. Die Obskuration kann z.B. zwischen 30 Prozent und 50 Prozent liegen.
Die erfindungsgemäße optische Anordnung kann als Mikroskop, insbesondere mit einem Abbildungsmaßstab zwischen 2 und 0,25 (2 > |β'| > 0,25) ausgestaltet sein. Die erfindungsgemäße optische Anordnung kann z.B. für ein mobiles Gerät (Smartphone, Notebook, Netbook, Tablet, Smartwatch, etc.) ausgelegt sein.
Mindestens ein optisches Bauteil der erfindungsgemäßen optischen Anordnung kann mindestens eine asphärische Oberfläche oder eine Freiformfläche aufweisen. Weiterhin kann lediglich ein optisches Bauteil der optischen Anordnung aus einem flintartigen Material bestehen. Es können auch mindestens zwei optische Bauteile der optischen Anordnung aus demselben Material oder aus voneinander abweichenden Materialien bestehen (z.B. aus Kron-Material oder Flint-Material). Mindestens ein reflektierend ausgestalteter Bereich kann als sammelnder Manginspiegel ausgestaltet sein.
Das erfindungsgemäße Objektiv umfasst eine zuvor beschriebene erfindungsgemäße optische Anordnung. Es hat die bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen optischen Anordnung genannten Merkmale und Vorteile. Das Objektiv kann als Kameraobjektiv zur Abbildung weit entfernter Objekte oder Mikroskopobjektiv ausgestaltet sein.
Die erfindungsgemäße Bilderfassungsvorrichtung, z.B. eine Kamera oder ein Mikroskop, und die erfindungsgemäße Bildwiedergabevorrichtung, z.B. ein Projektor, umfassen ein erfindungsgemäßes Objektiv.
Das erfindungsgemäße Gerät, bei welchem es sich um ein Mikroskop oder ein mobiles Gerät handeln kann, umfasst eine erfindungsgemäße Bilderfassungsvorrichtung oder eine erfindungsgemäße Bildwiedergabevorrichtung oder eine erfindungsgemäße optische Anordnung. Bei dem erfindungsgemäßen mobilen Gerät kann es sich um ein Mobiltelefon, Tablet, Notebook, Smartwatch, Netbook, etc. handeln. Es hat die bereits beschriebenen Vorteile der erfindungsgemäßen optischen Anordnung.
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 den Strahlengang zum Erzeugen einer volumengetreuen Abbildung.
2 zeigt schematisch den Strahlengang durch eine katadioptrische Anordnung zur Illustration der Obskuration.
3 zeigt schematisch Optionen zur Verringerung der Obskuration.
4 zeigt schematisch ein 1. Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung.
5 zeigt schematisch ein 2. Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung.
6 zeigt schematisch ein 3. Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung.
7 zeigt schematisch ein 4. Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung.
8 zeigt schematisch ein 5. Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung.
9 zeigt schematisch ein 6. Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung.
10 zeigt schematisch ein 7. Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung.
11 zeigt schematisch ein 8. Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung.
12 zeigt schematisch ein 9. Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung.
13 zeigt schematisch ein 10. Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung.
14 zeigt schematisch ein 11. Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung.
15 zeigt schematisch ein 12. Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung.
16 zeigt schematisch ein 13. Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung.
17 zeigt schematisch ein 14. Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung.
18 zeigt schematisch ein 15. Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung.
19 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Gerät.

Die 1 zeigt schematisch den Strahlengang 17 zum Erzeugen einer volumengetreuen Abbildung und wurde oben in der Beschreibungseinleitung bereits beschrieben. Eine erste Sammellinse 7 erzeugt von Objekten A₀ und A₁ Abbildungen A₀' und A₁', welche aber nicht den Größenverhältnissen der Objekte zueinander entsprechen, wie oben in der 1 gezeigt. Unten in der 1 wird mittels einer weiteren Feldlinse in Form einer zweiten Sammellinse 8 die Richtung des Hauptstrahls 9 so angepasst, dass die Größenverhältnisse der erzeugten Abbildungen A₀' und A₁' denen der Objekte A₀ und A₁ zueinander entsprechen. Die Mittelachse der Linsen 7 und 8, welche mit der optischen Achse zusammenfällt, ist mit der Bezugsziffer 2 gekennzeichnet.
Die 2 zeigt schematisch den Strahlengang durch eine katadioptrische Anordnung, welche eine erste, in einem radial äußeren Bereich reflektierende optische Fläche 31 (Primärspiegel) und eine zweite reflektierende optische Fläche 32 (Sekundärspiegel) umfasst, und illustriert die oben bereits beschriebene Berechnung der Obskuration. Die Eintrittspupille oder Blende ist mit der Bezugsziffer 18 gekennzeichnet. In der Figur von links eingestrahltes Licht wird zunächst von der ersten reflektierenden optischen Fläche 31 reflektiert, wobei durch die zweite reflektierende optische Fläche 32 ein Teil des Lichts abgeschattet wird. Anschließend wird das von der ersten reflektierenden optischen Fläche 31 reflektierte Licht von der zweiten reflektierenden optischen Fläche 32 reflektiert und durchtritt die erste optische Fläche 31 in einem radial inneren Bereich. In der 2 unten ist der Richtungskosinus des Randstrahls R₀ durch einen Pfeil rvl₀ und der Richtungskosinus des Lichtstrahls R₁ durch einen Pfeil rvl₁ gekennzeichnet.
Die oben bereits beschriebene 3 illustriert Optionen zur Verringerung der Obskuration. Dabei sind die Bildebene oder ein Detektor mit der Bezugsziffer 6 und eine Zerstreuungslinse zur Aufweitung des Strahlengangs 17 mit der Bezugsziffer 27 gekennzeichnet.
Eine erste Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden anhand der in den 4 bis 9 schematisch gezeigten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die gezeigte optische Anordnung 1 umfasst eine Mittelachse 2, welche in den gezeigten Beispielen mit der optischen Achse zusammenfällt, eine Objektseite 3 und eine Bildseite 4. Dabei ist die Objektseite 3 einem abzubildenden Objekt oder einer Objektebene 5 zugewandt und die Bildseite 4 einer Bildebene 6 oder einem im Bereich der Bildebene angeordneten Detektor, zum Beispiel einer Kamera, zugewandt. Die optische Anordnung 1 umfasst darüber hinaus eine katadioptrische Anordnung 10.
Die katadioptrische Anordnung 10 umfasst ein erstes, teilverspiegelte optisches Bauteil 11 und ein zweites, teilverspiegeltes optisches Bauteil 12. Diese sind in dem gezeigten Beispiel als Linsen ausgestaltet. Das erste, teilverspiegelte optische Bauteil 11 umfasst eine Vorderseite 13 und eine Rückseite 14. Das zweite, teilverspiegelte optische Bauteil 12 umfasst ebenfalls eine Vorderseite 15 und eine Rückseite 16. Dabei weisen die Vorderseiten 13 und 15 in Richtung der Objektseite 3 und die Rückseiten 14 und 16 in Richtung der Bildseite 4. Das erste optische Bauteil 11 und das zweite optische Bauteil 12 sind im Strahlengang 17 entlang der Mittelachse 2 nacheinander angeordnet, sodass das erste optische Bauteil 11 bildseitig von dem zweiten optischen Bauteil 12 angeordnet ist.
Das erste optische Bauteil 11 umfasst einen bezüglich der Mittelachse 2 radial inneren Bereich 21 und einen radial äußeren Bereich 22. Dabei ist der innere Bereich 21 für objektseitig einfallendes Licht zumindest teilweise transparent bzw. transmittierend ausgestaltet. Der äußere Bereich 22 ist für objektseitig einfallendes Licht reflektierend ausgestaltet. Hierzu weist die Rückseite 14 des ersten optischen Bauteils 11 eine Verspiegelung 23 auf. Diese ist in dem gezeigten Beispiel objektseitig konkav (bildseitig konvex)ausgestaltet.
Das zweite optische Bauteil 12 umfasst einen bezüglich der Mittelachse 2 radial inneren Bereich 24 und einen radial äußeren Bereich 25. Dabei ist der äußere Bereich 25 für objektseitig einfallendes Licht transparent bzw. transmittierend ausgestaltet. Der innere Bereich 24 ist für objektseitig einfallendes Licht zumindest teilweise transparent bzw. transmittierend und für bildseitig einfallendes Licht reflektierend ausgestaltet. Hierzu weist die Vorderseite 15 des zweiten optischen Bauteils 12 eine Verspiegelung 26 auf. Diese ist in dem gezeigten Beispiel bildseitig konvex (objektseitig konkav) ausgestaltet.
Zwischen der Rückseite 14 des ersten optischen Bauteils 11 und der Bildebene 6 ist eine planparallele Platte 28 angeordnet. Hierbei kann es sich um eine transparente Abdeckung handeln.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel handelt es sich um ein Mikroskopobjektiv mit einem Abbildungsmaßstab -1:0,8, welches einen sehr großen Arbeitsabstand von 28 mm bei einer gesamten Baulänge von 8,5 mm aufweist. Das System hat eine Vorderblende, d.h. die Systemblende 18 liegt vor dem eigentlichen optischen System. Die Blende 18 kann auch innerhalb der optischen Anordnung 1 liegen. Ausschlaggebend für die Blendenlage ist, dass gegebenenfalls eine im Durchmesser veränderliche Blende mechanisch einfach realisiert werden kann. Die Blende 18 kann z.B. auch zwischen den beiden optischen Bauteilen 11 und 12 liegen.
Die gezeigten optischen Bauteile 11 und 12 können zum Beispiel rotationssymmetrisch ausgestaltet sein. In dem gezeigten Beispiel tritt Licht durch eine sehr große Eintrittspupille mit nahezu 8 mm Durchmesser in die optische Anordnung 1 ein und wird durch die Vorderseite 15 und die Rückseite 16 des zweiten optischen Bauteils 12 in dessen radial äußerem Bereich 25 gebrochen. Die Vorderseite 15 und die Rückseite 16 des zweiten optischen Bauteils 12 sowie die Vorderseite 13 des ersten optischen Bauteils 11 können asphärisch ausgebildet sein. Die Verspiegelung 23 des ersten optischen Bauteils 11 wirkt für das einfallende Licht wie ein sammelnder Manginspiegel, der das Licht wieder zu dem zweiten optischen Bauteil 12 zurückwirft. Die Verspiegelung 26 des zweiten optischen Bauteils 12 wirkt für das einfallende Licht wie ein zerstreuender Manginspiegel, der das Licht wieder zu dem ersten optischen Bauteil 11 zurückwirft. Schließlich durchtritt das Licht erneut das erste optische Bauteil 11 im achsnahen Bereich, wo dieses in dem inneren Bereich 21 als transmittierende Linse wirkt. Anschließend werden keine weiteren brechkraftbehafteten optischen Elemente durchtreten und das Licht trifft auf die Bildebene 6.
Die Vorderseite 15 des zweiten optischen Bauteils 12 weist an dem Übergang zwischen dem äußeren Bereich 25 und dem inneren Bereich 24, also zwischen dem transmittierenden und dem reflektierenden Bereich, eine andere Flächenform als in den genannten Bereichen auf. Der Übergang ist zwar stetig, aber nicht differenzierbar, d.h. er weist einen Knick auf. Der Knick kann fassungstechnisch mechanisch durch eine Phase abgerundet werden. Er kann zudem auch nicht-stetig ausgebildet sein.
Die in der 4 gezeigte optische Anordnung 1 weist eine lineare Obskuration von 40% auf. Lineare Obskuration bedeutet, dass in der Eintrittspupille die inneren 40 Prozent der Eintrittspupillenkoordinaten die optische Anordnung nicht durchtreten können bzw. nicht zur Abbildung kommen. Dies ist gleichbedeutend mit einer Obskuration von 16% in der Fläche der Eintrittspupille (= 40%² bzw. 0,4²).
Die Obskuration findet maßgeblich beim Lichteintritt in die optische Anordnung 1 an der Vorderseite 15 des zweiten optischen Bauteils 12 statt. Hier werden die Strahlen im inneren Bereich der Pupille 18 an der zentralen Verspiegelung 26 geblockt. Eine weitere Obskuration kann bei der Reflexion an der Rückseite 14 des ersten optischen Bauteils 11 stattfinden, nämlich wenn eintretende Lichtstrahlen durch den nicht-verspielten zentralen Bereich, also den inneren Bereich 21, treten und nicht zum zweiten optischen Bauteil 12 zurückreflektiert werden.
Die Vorderseite 13 des ersten optischen Bauteils 11 und/oder die Rückseite 16 des zweiten optischen Bauteils 12 sind zur Korrektur von Aberrationen ausgelegt. Sie können insbesondere als sphärische oder asphärische Flächen oder Freiformflächen ausgelegt sein. In dem gezeigten Beispiel sind alle gezeigten Oberflächen und Oberflächenbereiche des ersten optischen Bauteils 11 und des zweiten optischen Bauteils 12 asphärisch ausgestaltet.
Grundsätzlich können das erste optische Bauteil 11 und das zweite optische Bauteil 12 aus unterschiedlichen optischen Materialien bestehen. In dem gezeigten Beispiel weist das zweite optische Bauteil 12 eine Brechzahl von 1,493 und eine Abbe-Zahl von 51,3 auf und wirkt dabei als Kron-Material. Das erste optische Bauteil 11 weist eine Brechzahl von 1,589 und eine Abbe-Zahl von 26,2 auf und wirkt dabei als Flint-Material.
Das erste optische Bauteil 11 und das zweite optische Bauteil 12 haben einen vergleichbaren Durchmesser. Der Durchmesser kann identisch sein oder sich um maximal 30 Prozent voneinander unterscheiden.
Das in der 5 gezeigte Ausführungsbeispiel ähnelt dem in der 4 gezeigten Ausführungsbeispiel stark. Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass hier auf die Verwendung eines zweiten optischen Materials verzichtet wurde. Das erste optische Bauteil 11 und das zweite optische Bauteil 12 bestehen aus kronartigem Material. Es handelt sich mit anderen Worten um ein Einmaterial-System. Alternativ dazu können das erste optische Bauteil 11 und das zweite optische Bauteil 12 aus flintartigem Material bestehen oder ein solches Material umfassen.
Das in der 6 gezeigte Ausführungsbeispiel zeigt das in den vorangegangenen Ausführungsbeispielen beschriebene Designprinzip für ein klassisches Fotoobjektiv, d.h. für eine Abbildung von einer unendlichen Objektweite auf einen Bildempfänger. Es handelt sich um eine als Objektiv ausgestaltete optische Anordnung 1 mit einer Brennweite von f' = 22mm bei einem Bauraum von nur L_s = 8,5 m gemessen entlang der Mittelachse 2. Rein rechnerisch beträgt der Telefaktor also F = 0,39. Es handelt sich wiederum um ein Einmaterial-System. Die Obskuration der optischen Anordnung 1 beträgt in diesem Beispiel 40 Prozent.
Die optische Anordnung 1 umfasst zudem ein geometrisch oder räumlich und im Strahlengang 17 zwischen dem ersten optischen Bauteil 11 und dem zweiten optischen Bauteil 12 angeordnetes drittes optisches Bauteil 19. Das dritte optische Bauteil 19 wird im Strahlengang 17 dreifach von Licht durchtreten und ist als refraktive Linse ausgestaltet. Es weist eine Vorderseite 29 und eine Rückseite 30 auf. Die Vorderseite 29 und die Rückseite 30 des dritten optischen Bauteils 19 können sphärisch oder asphärisch oder als Freiformfläche ausgebildet sein.
In dem in der 7 gezeigten Ausführungsbeispiel ist eine optische Anordnung 1 in Form eines Mikroskopobjektivs gezeigt, welches die optischen Charakteristika des 1. Ausführungsbeispiels aufweist. Die Verspiegelung 26 des zweiten optischen Bauteils 12 ist in diesem Beispiel an der Rückseite 16, also der bildzugewandten Seite, angeordnet. Die Verspiegelung 26 ist bildseitig konvex ausgestaltet. Sie weist eine einheitliche, beliebig oft stetig differenzierbare Form auf, d.h. eine einheitliche polynominale Flächenbeschreibung über die gesamte Fläche der Rückseite 16 des zweiten optischen Bauteils 12. Analog zu dem 3. Ausführungsbeispiel ist ein drittes optisches Bauteil 19 in Form einer im Strahlengang 17 dreifach lichtdurchtreten Linse geometrisch und im Strahlengang 17 zwischen dem ersten optischen Bauteil 11 und dem zweiten optischen Bauteil 12 angeordnet.
Im Gegensatz zu den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen, bei denen die Vorderseite 15 des zweiten optischen Bauteils 12 nicht stetig differenzierbar war, beträgt bei diesem und den beiden nachfolgenden Ausführungsbeispielen die Obskuration 50 Prozent. Die einheitliche, also stetige und differenzierbare, Flächengestaltung ist für die Fertigung der Flächen von Vorteil und reduziert die Herstellungskosten. Sie ist zudem im Zusammenhang mit der Zentrierung der jeweiligen optischen Bauteile und der präzisen Positionierung der verspielten Teilbereiche von Vorteil.
Das in der 8 gezeigte 5. Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in der 7 gezeigten 4. Ausführungsbeispiel dadurch, dass die Vorderseite 29 des dritten optischen Bauteils 19 an der Rückseite 16 des zweiten optischen Bauteils 12 anliegt. Das zweite optische Bauteil 12 ist darüber hinaus als einfach durchtretene Linse ausgestaltet. Ein weiterer struktureller Unterschied besteht darin, dass die zweite Reflexion nicht an der (konvexen) Rückseite des zweiten optischen Bauteils 12 sondern an der (konkaven) Vorderseite des dritten optischen Bauteils 19 stattfindet. In diesem Ausführungsbeispiel wird also die katadioptrische Anordnung formal durch das erste optische Bauteil 11 und das dritte optische Bauteil 19 gebildet.
In dem in der 9 gezeigten 6. Ausführungsbeispiel ist das erfindungsgemäße Prinzip wiederum auf eine als Fotoobjektiv ausgestaltete optische Anordnung 1 mit kollimiertem Strahleneingang angewandt. Die Verspiegelung 26 ist wiederum an der Rückseite 16 des zweiten optischen Bauteils 12 angeordnet. Das dritte optische Bauteil 19 ist als dreifach lichtdurchtretene Linse ausgestaltet.
Eine zweite Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden anhand der in den 10 bis 13 schematisch gezeigten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
In der in der 10 gezeigten Ausgestaltung ist die katadioptrische Anordnung 10 als ein einziges katadioptrisches Bauteil ausgestaltet. Dieses weist eine Vorderseite 33, welche objektseitig angeordnet ist, und eine Rückseite 34, welche bildseitig angeordnet ist, auf. Die Vorderseite 33 umfasst einen radial inneren Bereich 35, welcher für bildseitig einfallendes Licht reflektierend ausgestaltet ist, und einen radial äußeren Bereich 36, welcher transmittierend ausgestaltet ist, auf. Die Rückseite 34 weist einen radial inneren Bereich 37, welcher für objektseitig einfallendes Licht transmittierend ausgestaltet ist, und einen radial äußeren Bereich 38, welcher für objektseitig einfallendes Licht reflektierend ausgestaltet ist, auf. Dabei ist der verspiegelte Bereich der Vorderseite 33 von außen betrachtet konkav, also im Strahlengang 17 oder bildseitig konvex, geformt und der verspiegelte Bereich der Rückseite 34 von außen betrachtet konvex, also im Strahlengang konkav, geformt.
Geometrisch oder räumlich und im Strahlengang 17 ist zwischen der Rückseite 34 der katadioptrischen Anordnung bzw. dem katadioptrischen Bauteil 10 und der Bildebene 6 eine Feldlinsengruppe 40 und optional eine planparallele Platte 28 angeordnet, wobei die planparallele Platte 28 bildseitig der Feldlinsengruppe 40 angeordnet ist. Die Feldlinsengruppe 40 umfasst eine Linseneinheit mit negativer Brechkraft, vorliegend bestehend aus drei refraktiven Zerstreuungslinsen 40, 41 und 43, sowie eine Linseneinheit mit positiver Brechkraft, vorliegend bestehend aus einer refraktiven Sammellinse 44, auf.
Die Vorderseite 33 der katadioptrischen Anordnung 10 weist in der Regel keine einheitliche Oberflächenform auf. Der verspiegelte radial innere Bereich 35 wird üblicherweise durch eine andere Flächengleichung beschrieben als der radial äußere, transmittierende Bereich 36. Vorzugsweise sind beide Flächenbeschreibungen zumindest so ausgestaltet, dass sie stetig ineinander übergehen. Für die Rückseite 34 muss dies nicht zwingend gelten, kann es aber.
Der grundsätzliche Verlauf des Strahlengangs 17, insbesondere innerhalb des katadioptrischen Bauteils 10, entspricht im Wesentlichen dem im Zusammenhang mit den bereits beschriebenen Ausführungsbeispielen beschriebenen Strahlengang. Beim Austritt des Lichts aus dem radial inneren Bereich 37 der Rückseite 34 würde sich bei Abwesenheit der Feldlinsengruppe 40 hinter der Rückseite 34 ein reelles zwischen Bild befinden. Beim Austritt des Lichts aus dem katadioptrische Bauteil 10 divergiert der Hauptstrahl von der optischen Achse 2 weg, d.h. die Pupille des hinter der Rückseite 34 befindlichen Luftraums ist virtuell und befindet sich vor der Rückseite 34.
Die Feldlinsengruppe 40 bildet einen ausgeprägten Retrofokusaufbau aus negativer und positiver Brechkraft. Das Licht verlässt das katadioptrische Bauteil bzw. die katadioptrische Anordnung 10 mit einem konvergenten Randstrahlwinkel, d.h. wie bereits erwähnt würde in knapper Entfernung hinter der katadioptrischen Anordnung 10 ein reelles Zwischenbild entstehen. Andererseits befindet sich der Schnittpunkt des Hauptstrahls mit der optischen Achse 2 beim Austritt aus der katadioptrischen Anordnung 10 vor dieser, d.h. der Hauptstrahl divergiert. Um zu einem konvergenten Hauptstrahl zu gelangen, muss bildseitig der katadioptrischen Anordnung 10 positive Brechkraft an einer Stelle verwendet werden, wo die Hauptstrahlhöhe größer ist als die Größe des Bildes. Dies ist jedoch erst in einer gewissen Entfernung hinter der katadioptrischen Anordnung 10 der Fall, wobei an dieser Stelle die Randstrahlen bereits zum Fokus gekommen sind.
Um den Fokus der Randstrahlen von der katadioptrischen Anordnung 10 weiter in Richtung der Bildebene 6 zu verschieben und die Hauptstrahlhöhe in Lichtrichtung schneller ansteigen zu lassen, wird unmittelbar hinter der katadioptrischen Anordnung 10, also bildseitig, eine starke zerstreuende Brechkraft verwendet, konkret in Form einer Linseneinheit mit negativer Brechkraft, bestehend aus den Zerstreuungslinsen 41, 42 und 43, die das Zwischenbild deutlich weiter von der katadioptrischen Anordnung 10 entfernt, um dann mit der Linse 44 mit positiver Brechkraft oder einer entsprechenden Linsengruppe den gewünschten konvergenten Hauptstrahlwinkel einstellen zu können.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der zerstreuend wirkenden Linseneinheit um drei doppelt asphärische Linsen 41, 42 und 43 und bei der sammelnd wirkenden Linseneinheit um eine sammelnde doppelt asphärische Linse 44.
Der Abbildungsmaßstab der gezeigten optischen Anordnung, bei welcher es sich um ein Objektiv handeln kann, beträgt -1:1. Der Winkel des Hauptstrahls ist in Objektraum und Bildraum betragsmäßig gleich und unterscheidet sich nur im Vorzeichen.
Das in der 11 gezeigte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in der 10 gezeigten Ausführungsbeispiel darin, dass die optische Anordnung 1 in Form eines Objektivs auf die Beobachtung von wässrigen Objekträumen mit einer exemplarischen Brechzahl von n=1,334 (Wasser) ausgelegt ist. Dementsprechend liegt ein vergrößernder Abbildungsmaßstab von -1,334:1 vor. Die geometrischen Hauptstrahlwinkel im Objekt und im Bild sind jedoch betragsmäßig gleich und von unterschiedlichem Vorzeichen.
Das in der 12 gezeigte Ausführungsbeispiel knüpft an das in der 10 gezeigte Ausführungsbeispiel an. Allerdings umfasst hier die katadioptrische Anordnung 10 ein erstes optisches Bauteil 11 und ein zweites optisches Bauteil 12, analog zu den Ausführungsbeispielen der ersten Ausführungsvariante. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass hiermit zusätzliche Linsenflächen, in Form der Rückseite 16 des zweiten optischen Bauteils 12 und der Vorderseite 13 des ersten optischen Bauteils 11 als optische Designmittel, insbesondere zur Strahlformung und zur Korrektur von Aberrationen zur Verfügung steht.
Darüber hinaus weisen sowohl das erste optische Bauteil 11 als auch das zweite optische Bauteil 12 mindestens eine Fläche mit einer uneinheitlichen Flächenbeschreibung auf. Beispielsweise ist der radial äußere Bereich der Vorderseite 15 des zweiten optischen Bauteils 12 stark asphärisch ausgebildet, während der radial innere Bereich der Vorderseite 15 des zweiten optischen Bauteils 12 von außen betrachtet stark konkav ausgebildet ist. In der gezeigten Ausgestaltung ist die Rückseite 16 des zweiten optischen Bauteils 12 durch eine einheitliche Flächenbeschreibung gekennzeichnet.
Das erste optische Bauteil 11 weist einen schwach meniskusförmig ausgestalteten radial äußeren Bereich 22 auf, während der radial innere Bereich 21 eine starke Meniskusform aufweist, also verglichen mit dem in der 10 gezeigten Ausführungsbeispiel die Funktion der zerstreuend wirkenden Linseneinheit übernimmt. Die Feldlinsengruppe 40 besteht in diesem Beispiel außerhalb der katadioptrischen Anordnung 10 lediglich aus der Sammellinse 44 oder einer entsprechenden sammelnden Linsengruppe. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass sie eine insgesamt sehr einfache und kompakte Anordnung ermöglicht, welches insbesondere nur sehr wenige Linsenelemente erfordert.
Das in der 13 gezeigte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel darin, dass es für einen Objektraum in oder mit wässriger Lösung vorgesehen ist und somit einen Abbildungsmaßstab von -1,334:1 aufweist.
Eine dritte Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden anhand der in den 14 bis 18 schematisch gezeigten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei liegt der Fokus der dritten Ausführungsvariante primär darin, die Obskuration effektiv zu reduzieren.
Die in der 14 gezeigte optische Anordnung 1 ist als Fotoobjektiv ausgebildet, d.h. zur Abbildung entfernt liegender Gegenstände. Das gezeigte Fotoobjektiv bzw. die entsprechende optische Anordnung 1 weist eine Brennweite von 22 mm auf und ist in einem axialen Bauraum von unter 6 mm realisiert. Der Telefaktor beträgt damit F = 3,67. Der axiale Bauraum kennzeichnet dabei den Abstand von der vorderen Eintrittsfläche, vorliegend also der Vorderseite 15 des zweiten optischen Bauteils 12, bis zur Bildebene 6. Für den Abstand werden zwei ebene Flächen betrachtet, zwischen welchen die gesamte optische Anordnung 1 untergebracht werden kann. Es ist also nicht nur der Abstand des vorderen Flächenscheitels von der Bildebene sondern die gesamte Eintrittsfläche berücksichtigt.
Die Vorderseite 15 des zweiten optischen Bauteils 12 weist wiederum keine einheitliche Flächenbeschreibung auf. Sowohl der radial äußere Bereich 25 als auch der radial innere Bereich 24 haben an der Vorderseite 15 eine asphärische Flächenform. Die Asphärengleichung zur Beschreibung des radial äußeren Bereichs 25 der Vorderseite 15 unterscheidet sich jedoch von der Asphärengleichung zur Beschreibung des radial inneren Bereichs 24 der Vorderseite 15. Die Flächen sind jedoch so ausgelegt, dass beide Bereiche zumindest stetig, jedoch im Allgemeinen nicht stetig differenzierbar, ineinander übergehen. Diese Ausgestaltung ist fertigungstechnisch von Vorteil.
Auch die Flächenbeschreibung der Rückseite 14 des ersten optischen Bauteils 11 ist nicht einheitlich. Der reflektierend ausgestaltete radial äußere Bereich 22 ist von außen betrachtet konvex, d.h. die Reflexion von der Innenseite des ersten optischen Bauteils 11 findet an einer in Lichtrichtung hohlen oder konkaven Fläche statt. Die Rückseite 14 ist in dem radial inneren Bereich 21 überwiegend konkav geformt. Beide Teilflächenbeschreibungen sind asphärisch und gehen stetig, jedoch nicht stetig differenzierbar, ineinander über.
Es schließt sich im Strahlengang 17 an die katadioptrische Anordnung 10 eine Linsengruppe 40 an, welche in diesem Ausführungsbeispiel aus einer im wesentlichen brechkraftarmen ersten Zerstreuungslinse 41, zum Beispiel bestehend aus Polycarbonat, und einer brechkraftstarken zweiten Zerstreuungslinse 42 besteht. Dabei wirkt vor allem die brechkraftstarke Zerstreuungslinse 42 als die zur Reduzierung der Obskuration erforderliche Feldlinse mit negativer Brechkraft. Die Obskuration beträgt im vorliegenden Fall 40 Prozent. Die Brennweite der optischen Anordnung 1 bzw. des Objektivs hat in diesem Ausführungsbeispiel einen Wert f'=20mm, d.h. eine Gesamtbrechkraft von φ=50dpt. Weiterhin hat die Feldlinsenanordnung 40 eine Scheitelbrechkraft von 522dpt.
Die gezeigten optischen Bauelemente und Linsen bestehen vorzugsweise überwiegend aus kronartigem Material, zum Beispiel PMMA (PMMA - Polymethylmethacrylat). Die Linse 41 besteht aus Polycarbonat und hat eine doppelt asphärische Form. Die Verwendung einer brechkraftschwachen Linse 41 bestehend aus dem flintartigen Material Polycarbonat bewirkt darüber hinaus eine ausgewogene chromatische Korrektur des gesamten Designs.
Der Durchmesser des radial inneren Bereichs 24 des zweiten optischen Bauteils 12 weist einen etwas größeren Wert auf als der innere Bereich 21 des ersten optischen Bauteils 11. Beide Durchmesser sind signifikant kleiner als die Bilddiagonale, also der Durchmesser der Bildebene 6. Zur Quantifizierung kann ein (optisch freies) Durchmesserverhältnis zwischen dem Bereich 24 und dem Durchmesser der Bilddiagonalen angegeben werden, welches zumindest kleiner als 0,9, insbesondere kleiner als 0,8 oder 0,7 ist. Dies ist beispielsweise in den 4-9 nicht der Fall, dort ist das Durchmesserverhältnis - 1. Für das in der 14 gezeigte Beispiel beträgt das Durchmesserverhältnis 0,61, für das in der 15 gezeigte Beispiel 0,58, das in der 16 gezeigte Beispiel 0,63, das in der 17 gezeigte Beispiel 0,60 und das in der 18 gezeigte Beispiel 0,62. Dies spiegelt nochmals die Tatsache wider, dass die zerstreuenden Feldlinsen 41 bzw. 42 bzw. die Feldlinsenanordnung 40 zu einer starken Strahleinschnürung führen/führt und damit eine minimale Obskuration ermöglicht wird.
Vorteilhaft für eine kleine Obskuration ist weiterhin, dass der radial äußere Bereich 22 des ersten optischen Bauteils 11, also der reflektierende Bereich, einen möglichst großen Durchmesser hat, sodass das Durchmesserverhältnis zwischen dem radial äußeren, verspiegelten Bereich 22 und dem radial inneren, unverspiegelten Bereich 20 maximal wird, was sich wiederum günstig auf die Obskuration auswirkt, diese also reduziert. Die Reduktion der Obskuration wird unter anderem dadurch erreicht, dass die erste vom Licht getroffene optische Fläche, also die Vorderseite 15 des zweiten optischen Bauteils 12, im Randbereich eine konkave und damit zerstreuende Form aufweist. Dies vergrößert insbesondere den Durchmesser des Strahlenbündels am Ort des ersten optischen Bauteils 11 und erleichtert somit die Realisierung einer kleinen Obskuration.
In dem in der 15 gezeigten Ausführungsbeispiel wurde im Unterschied zu dem in der 14 gezeigten Ausführungsbeispiel die erste Feldlinse 41 entfernt. Die Wirkung der Linse 41 wurde dadurch ersetzt, dass vorliegend das erste optische Bauteil 11 aus Polycarbonat besteht und dass der radial innere Bereich 21 eine andere Flächenbeschreibung aufweist als der radial äußere Teilbereich 22, womit die Rückseite 14 keine einheitliche Flächenbeschreibung mehr aufweist. Die Flächenbeschreibungen des radial inneren Bereichs und des radial äußeren Bereichs an der Rückseite 14 gehen jedoch stetig, wenngleich nicht stetig differenzierbar, ineinander über. Ansonsten entspricht das in der 15 gezeigte Ausführungsbeispiel dem in der 14 gezeigten Ausführungsbeispiel.
Die in den 14 und 15 gezeigten Ausführungsbeispiele betreffen Optiken mit unendlich großer Eingangsschnittweite, so wie sie typischerweise im Bereich der fotografischen Optik in Mobiltelefonen verwendet werden. Die in den 16 bis 18 gezeigten Ausführungsbeispiele betreffen Projektionsobjektive, welche auf demselben Prinzip basieren, nämlich eine katadioptrische Anordnung mit möglichst kleiner Obskuration zu realisieren. Der Abbildungsmaßstab ist dabei nahe |β| =1:1 um mikroskopische Anwendungen zu ermöglichen. Hierbei soll trotz eines sehr kompakten Aufbaus bei einer 1:1-Abbildung ein großer Arbeitsabstand FWD (Free Working Distance) erzielt werden. Dieser soll dabei doppelt so groß sein wie der Quotient aus der Baulänge L_s oder der Gesamtlänge oder dem Bauraum L und dem Abbildungsmaßstab β : $F W D > 2 \frac{L s}{β} bzw . ggf . F W D > 2 \frac{L}{β}$
Dabei kennzeichnet L_s die Baulänge, d.h. den Abstand des ersten Linsenscheitels zur Bildebene. L kennzeichnet die Gesamtlänge oder den Bauraum, also den Abstand von zwei Ebenen, zwischen denen man die gesamte Optik „einschieben“ kann, im vorliegenden Fall also der Abstand vom Linsenrand zur Bildebene, gemessen parallel zur optischen Achse.
Der Abbildungsmaßstab beträgt bei den gezeigten Mikroskopobjektiven - 0,8:1, die Gesamtlänge oder der Bauraum L beträgt etwa 6,5 mm, d.h. der Arbeitsabstand soll mindestens 15 mm betragen.
In den in den 16 bis 18 gezeigten Ausführungsbeispielen beträgt der Arbeitsabstand am Objekt jeweils 25 mm. Mit dem bereits genannten Abbildungsmaßstab -0,8:1 und einem Bauraum L von 6,5 mm ist die genannte Bedingung für den Arbeitsabstand FWD sehr gut erfüllt. Im Übrigen entsprechen die einzelnen optischen Bauteile und Linsen sowie deren Materialien und die Abfolge der Flächen des in der 16 gezeigten Ausführungsbeispiels dem in der 15 gezeigten Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zu dem in der 15 gezeigten Ausführungsbeispiel beträgt die Obskuration lediglich 36 Prozent.
In der 17 ist eine optische Anordnung in Form eines Mikroskopobjektivs mit einem Abbildungsmaßstab von -0,8:1 gezeigt. Der generelle Aufbau ist mit dem in der 15 gezeigten Ausführungsbeispiel identisch. Auch hier wurde auf die erste der beiden Feldlinsen, also die Linse 41, verzichtet und stattdessen ein erstes optische Bauteil 11 aus einem Flintmaterial, zum Beispiel Polycarbonat, verwendet, sowie die Rückseite 14 des ersten optischen Bauteils 11 als eine nicht-einheitlich definierte Fläche ausgelegt, sodass sich die optische Wirkung im transmittierenden radial inneren Bereich 21 von der optischen Wirkung in dem reflektierenden radial äußeren Bereich 22 unterscheidet. Auch hier gehen beide Teilflächenbereiche stetig, aber nicht differenzierbar ineinander über. Die Obskuration beträgt wiederum 36 Prozent.
In dem in der 18 gezeigten Ausführungsbeispiel wurde auf den Design-Freiheitsgrad einer nicht einheitlich definierten Rückseite 14 des ersten optischen Bauteils 11 verzichtet, sodass die optische Anordnung 1 nun aus der katadioptrischen Anordnung 10 mit einer nicht-einheitlich definierten Vorderseite 15, einer einheitlich definierten Rückseite 14 und einer Feldlinse 42 mit negativer Brechkraft aufgebaut ist. Die Obskuration beträgt in diesem Fall 38 Prozent.

In den nachfolgenden Tabellen werden die eine geringe Obskuration begünstigenden Merkmale der Ausführungsbeispiele der dritten Ausführungsvariante zusammengestellt. Dabei kennzeichnet L_s die Baulänge, d. h. den Abstand des ersten Linsenscheitels zur Bildebene. L kennzeichnet die Gesamtlänge oder den Bauraum, also den Abstand von zwei Ebenen, zwischen denen man die gesamte Optik „einschieben“ kann, im vorliegenden Fall also der Abstand vom Linsenrand zur Bildebene, gemessen parallel zur optischen Achse. D₂ ist der optisch freie Durchmesser des transmittierenden Bereichs auf der Rückseite des ersten optischen Bauteils 11. D₁ ist der Durchmesser des Detektors bzw. dessen Bilddiagonale oder der Durchmesser der Fläche der Bildebene, in welcher eine Abbildung erzeugt wird, oder der Durchmesser der Austrittspupille. F_FL' ist die paraxiale Brechkraft der Feldlinsengruppe mit negativer Brechkraft, RH₁ und RH₂ sind die Hüllradien der Feldlinse mit negativer Brechkraft. F_FLH' ist die Hüllradien-Brechkraft der Feldlinse mit negativer Brechkraft. N₂*RVL₂ ist der meridionale optische Richtungskosinus des Hauptstrahls vor dem Austritt aus dem ersten optischen Bauteils 11. Ni*RVLi ist der optische Richtungskosinus des Hauptstrahls am Detektor oder an der Bildebene 6. Unter dem optischen Richtungskosinus wird dabei der geometrische Richtungskosinus multipliziert mit der Brechzahl des jeweils betrachteten Mediums verstanden. Tabelle 1:

Fig.	L_s	L	F_FL'	\|L_s/F_FL'\|	\|L/F_FL'\|
14	5,505	5,962	-1,914	2,876	3,115
15	5,195	5,205	-2,104	2,469	2,474
16	5,751	6,500	-1,956	2,940	3,323
17	5,559	6,155	-1,838	3,024	3,349
18	5,796	6,501	-1,884	3,076	3,451

Tabelle 2:

Fig.	D₂	D_i	D₂/D_i
14	2,327	3,840	0,606
15	2,267	3,840	0,590
16	2,374	3,840	0,618
17	2,343	3,840	0,610
18	2,444	3,840	0,637

Tabelle 3:

Fig.	RH₁	RH₂	FFLH'
14	-1,361	-101,469	-2,805
15	-1,596	-20,052	-3,526
16	-1,383	-55,220	-2,884
17	-1,356	-12.076	-3,106
18	-1,444	13,622	-2,654

Tabelle 4:

Fig.	N₂*RVL₂	N_i*RVL_i	N_iRVL_i/N₂RVL₂
14	0,299	0,531	1,774
15	0,324	0,535	1,646
16	0,302	0,522	1,725
17	0,307	0,532	1,731
18	0,286	0,572	2,004

Die 19 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Gerät 50. Bei dem Gerät 50 kann es sich um ein Mikroskop oder ein mobiles Gerät handeln. Das Gerät 50 umfasst eine zuvor beschriebene erfindungsgemäße optische Anordnung 1. Es hat die in diesem Zusammenhang bereits genannten Merkmale und Vorteile. Die optische Anordnung 1 kann insbesondere als Objektiv 51 ausgestaltet sein und/oder eine Bilderfassungsvorrichtung, zum Beispiel eine Kamera, enthalten.
Bezugszeichenliste

1: optische Anordnung
2: Mittelachse
3: Objektseite
4: Bildseite
5: Objekt/Objektebene
6: Bildebene/Detektor
7: erste Sammellinse
8: zweite Sammellinse
9: Hauptstrahl
10: katadioptrische Anordnung
11: erstes, teilverspiegelte optisches Bauteil
12: zweites, teilverspiegeltes optisches Bauteil
13: Vorderseite
14: Rückseite
15: Vorderseite
16: Rückseite
17: Strahlengang
18: Eintrittspupille / Blende
19: drittes optisches Bauteil
21: radial innerer Bereich
22: radial äußerer Bereich
23: Verspiegelung
24: radial innerer Bereich
25: radial äußerer Bereich
26: Verspiegelung
27: Zerstreuungslinse
28: Planparallelplatte
29: Vorderseite
30: Rückseite
31: erste reflektierende optische Fläche, Primärspiegel
32: zweite reflektierende optische Fläche, Sekundärspiegel
33: Vorderseite
34: Rückseite
35: radial innerer Bereich
36: radial äußerer Bereich
37: radial innerer Bereich
38: radial äußerer Bereich
40: Feldlinsengruppe
41: Linse mit negativer Brechkraft, Zerstreuungslinse
42: Linse mit negativer Brechkraft, Zerstreuungslinse
43: Linse mit negativer Brechkraft, Zerstreuungslinse
44: Linse mit positiver Brechkraft, Sammellinse
50: Gerät
51: Objektiv
Ai: Objekt
Ai': Abbildung
Di: Durchmesser der Austrittspupille, Durchmesser des Detektors bzw. dessen Bilddiagonale
d0: Strahldurchmesser
d1: Durchmesser der Eintrittspupille
d2: Durchmesser der Eintrittspupille
Ls: Abstand vom Scheitel der Objektseite zur Bildebene
L0: Abstand von der Eintrittspupille zur Bildebene bzw. zum Detektor
ho: Höhe des Randstrahls R₀
h1: Höhe des Lichtstrahls R₁
R0: Randstrahl
R1: Lichtstrahl
rvlo: Richtungskosinus des Randstrahls R₀
rvl1: Richtungskosinus des Lichtstrahls R₁
γ: Hauptstrahlwinkel
γ': Hauptstrahlwinkel

Claims

Optische Anordnung (1), welche eine Mittelachse (2), eine Objektseite (3), eine Bildseite (4) und eine katadioptrische Anordnung (10) umfasst, wobei die katadioptrische Anordnung einen ersten Spiegel (23) mit sammelnder Brechkraft und einen nachfolgenden Spiegel (26) mit zerstreuender Brechkraft umfasst, und wobei die optische Anordnung (1) entlang der Mittelachse (2) von der Objektseite (3) bis zur Bildseite (4) einen Bauraum von maximal 25 Millimetern und eine lineare Obskuration von maximal 60 Prozent aufweist.
Optische Anordnung (1) nach Anspruch 1, wobei die katadioptrische Anordnung (10) ein erstes, teilverspiegeltes optisches Bauteil (11) mit einer objektseitig angeordneten Vorderseite (13) und einer bildseitig angeordneten Rückseite (14) und ein zweites, teilverspiegeltes optisches Bauteil (12) mit einer objektseitig angeordneten Vorderseite (15) und einer bildseitig angeordneten Rückseite (16) umfasst, welche im Strahlengang (17) entlang der Mittelachse (2) nacheinander angeordnet sind, sodass das erste optische Bauteil (11) bildseitig von dem zweiten optischen Bauteil (12) angeordnet ist, wobei das erste optische Bauteil (11) bezüglich der Mittelachse (2) einen radial inneren Bereich (21) und einen radial äußeren Bereich (22) umfasst, wobei der innere Bereich (21) für objektseitig einfallendes Licht zumindest teilweise transmittierend ausgestaltet ist und der äußere Bereich (22) an der Rückseite (14) für objektseitig einfallendes Licht reflektierend ausgestaltet ist, und wobei das zweite optische Bauteil (12) bezüglich der Mittelachse (2) einen radial inneren Bereich (24) und einen radial äußeren Bereich (25) umfasst, wobei der äußere Bereich (25) für objektseitig einfallendes Licht transmittierend ausgestaltet ist und der innere Bereich (24) für bildseitig einfallendes Licht reflektierend ausgestaltet ist, wobei im Strahlengang (17) zwischen der Rückseite (14) des ersten optischen Bauteils (11) und der Vorderseite (15) des zweiten optischen Bauteils (12) mindestens eine erste brechkraftbehaftete refraktive Oberfläche und eine zweite brechkraftbehaftete refraktive Oberfläche angeordnet sind.
Optische Anordnung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste brechkraftbehaftete refraktive Oberfläche durch die Vorderseite (13) des ersten optischen Bauteils (11) und/oder die zweite brechkraftbehaftete refraktive Oberfläche durch die Rückseite (16) des zweiten optischen Bauteils (12) gebildet wird.
Optische Anordnung (1) nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste optische Bauteil (11) so ausgestaltet ist, dass ausschließlich die Vorderseite (13) und/oder die Rückseite (14) eine Brechkraft aufweisen und bildseitig des ersten optischen Bauteils (11) unmittelbar die Bildebene angeordnet ist.
Optische Anordnung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass geometrisch und im Strahlengang (17) zwischen dem ersten optischen Bauteil (11) und dem zweiten optischen Bauteil (12) mindestens ein drittes optisches Bauteil (19) angeordnet ist.
Optische Anordnung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine dritte optische Bauteil (19) refraktiv ausgestaltet ist und/oder das mindestens eine dritte optische Bauteil (19) zur Korrektion von mindestens einem Abbildungsfehler ausgelegt ist.
Optische Anordnung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die radiale Ausdehnung einzelnen optischen Bauteile (11, 12, 19) der optischen Anordnung (1) maximal 2 Millimeter oder maximal 30 Prozent voneinander abweicht.
Optische Anordnung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Bereich (22) und der innere Bereich (21) der Rückseite (14) des ersten optischen Bauteils (11) voneinander abweichende Oberflächenformen aufweisen und/oder der äußere Bereich (25) und der innere Bereich (24) der Vorderseite (15) und/oder der Rückseite (16) des zweiten optischen Bauteils (12) voneinander abweichende Oberflächenformen aufweisen.
Optische Anordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang (17) und/oder geometrisch zwischen der katadioptrischen Anordnung (10) und der Bildseite (6) mindestens eine Feldlinse angeordnet ist.
Optische Anordnung (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang (17) und/oder geometrisch zwischen der katadioptrischen Anordnung (10) und der Bildseite (4) der optischen Anordnung (1) mindestens eine Feldlinsengruppe (40) angeordnet, welche mindestens eine Linse mit positiver Brechkraft (44) und/oder mindestens eine Linse mit negativer Brechkraft (41, 42, 43) umfasst.
Optische Anordnung (1) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldlinsengruppe (40) eine erste Linse oder Linsengruppe mit positiver Brechkraft (44) und eine zweite Linse oder Linsengruppe mit negativer Brechkraft (41, 42, 43) umfasst, welche im Strahlengang (17) vor der ersten Linse (44) oder Linsengruppe angeordnet ist.
Optische Anordnung (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die katadioptrische Anordnung (10) eine objektseitig angeordnete Vorderseite (33), eine bildseitig angeordnete Rückseite (34) und bezüglich der Mittelachse (2) einen radial inneren Bereich (35, 37) und einen radial äußeren Bereich (36, 38) umfasst, wobei der innere Bereich (37) an der Rückseite (34) für objektseitig einfallendes Licht zumindest teilweise transmittierend ausgestaltet ist und eine negative Brechkraft aufweist.
Optische Anordnung (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die katadioptrische Anordnung (10) ein erstes, teilverspiegeltes optisches Bauteil (11) mit einer objektseitig angeordneten Vorderseite (13) und einer bildseitig angeordneten Rückseite (14) und ein zweites, teilverspiegeltes optisches Bauteil (12) mit einer objektseitig angeordneten Vorderseite (15) und einer bildseitig angeordneten Rückseite (16) umfasst, welche im Strahlengang (17) entlang der Mittelachse nacheinander angeordnet sind, sodass das erste optische Bauteil (11) bildseitig von dem zweiten optischen Bauteil (12) angeordnet ist, wobei das erste optische Bauteil (11) bezüglich der Mittelachse (2) einen radial inneren Bereich (21) und einen radial äußeren Bereich (22) umfasst, wobei der innere Bereich (21) für objektseitig einfallendes Licht zumindest teilweise transmittierend ausgestaltet ist und der äußere Bereich (22) an der Rückseite (14) für objektseitig einfallendes Licht reflektierend ausgestaltet ist, und wobei das zweite optische Bauteil (12) bezüglich der Mittelachse (2) einen radial inneren Bereich (24) und einen radial äußeren Bereich (25) umfasst, wobei der äußere Bereich (25) für objektseitig einfallendes Licht transmittierend ausgestaltet ist und der innere Bereich (24) für bildseitig einfallendes Licht reflektierend ausgestaltet ist.
Optische Anordnung (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der radial innere Bereich (21) des ersten optischen Bauteils (11) eine negative Brechkraft aufweist.
Optische Anordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass bildseitig der katadioptrischen Anordnung (10) eine Feldlinsengruppe (40) angeordnet ist und die optische Anordnung (1) eine Bildebene (6) definiert, wobei die optische Anordnung (1) eine Baulänge L_s gemessen von dem Scheitel der ersten optischen Fläche bis zur Bildebene (6) aufweist und die Feldlinsengruppe (40) eine paraxiale Brennweite f'_FL aufweist, welche kleiner ist als Null (f'_FL<0) und wobei der Betrag der paraxialen Brennweite f'_FL kleiner ist als die Brennweite L_s (|f'_FL|<L_s).
Optische Anordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass bildseitig der katadioptrischen Anordnung (10) mindestens eine Feldlinse (41-44) angeordnet ist und die optische Anordnung (1) eine Bildebene (6) mit einer Abbildungsfläche mit einem Durchmesser D₁ definiert, wobei die optische Anordnung (1) bildseitig von der Rückseite (14, 34) der katadioptrischen Anordnung (10) einen freien optischen Durchmesser D₂ aufweist, wobei das Verhältnis des freien optischen Durchmessers D₂ zu dem Durchmesser D₁ der Abbildungsfläche kleiner ist als 1 (D₂/D₁<1).
Optische Anordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass bildseitig der katadioptrischen Anordnung (10) mindestens eine Feldlinse (41-44) angeordnet ist und die optische Anordnung (1) eine Bildebene (6) definiert, wobei die optische Anordnung (1) eine Brennweite f' und eine Baulänge L_s gemessen von dem Scheitel der ersten optischen Fläche bis zur Bildebene (6) aufweist, wobei das Verhältnis der Brennweite f' zu der Baulänge L_s größer ist als 2 (f'/L_s>2)
Optische Anordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass bildseitig der katadioptrischen Anordnung (10) mindestens eine Feldlinse (41-44) angeordnet angeordnet ist und die optische Anordnung (1) eine Bildebene (6) definiert, wobei die optische Anordnung (1) einen Abbildungsmaßstab β, einen Abstand FWD einer Objektebene zum Scheitel der ersten optischen Fläche und eine Baulänge L_s gemessen von dem Scheitel der ersten optischen Fläche bis zur Bildebene (6) aufweist und das Produkt aus dem Abbildungsmaßstab β und dem Quotienten aus dem Abstand FWD und der Baulänge L_s größer ist als 2 (FWD/L_s* β>2).
Optische Anordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptstrahlwinkel des Strahlengangs (17) unmittelbar vor dem Verlassen der katadioptrischen Anordnung (10) an deren Rückseite (14, 34), an welcher die katadioptrische Anordnung (10) einen Brechungsindex n₂ aufweist, einen Richtungskosinus rvl₂ aufweist und der Hauptstrahlwinkel des Strahlengangs (17) in einer Bildebene (6) in einem bildseitigen Medium mit einem Brechungsindex n₁ (am Detektor) einen Richtungskosinus rvl₁ aufweist, wobei gilt (n₂* rvl₂)/(n₁* rvl₁)<1.
Optische Anordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anordnung (1) einen negativen Abbildungsmaßstab und/oder eine positive Eintrittspupillenlage und/oder eine positive Austrittspupillenlage aufweist.
Optische Anordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlengang (17) eine gerade Anzahl an Reflexionen aufweist.
Optische Anordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anordnung (1) eine Aperturblende aufweist und der Abstand zwischen einer durch die optische Anordnung (1) definierten Objektebene (5) und der Aperturblende größer ist als der Abstand zwischen der Aperturblende und einer durch die optische Anordnung (1) definierten Bildebene (6).
Optische Anordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der optischen Flächen im Strahlengang (17) stetig und mindestens einmal stetig differenzierbar ausgestaltet sind.
Optische Anordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anordnung (1) eine lineare Obskuration von maximal 50 Prozent aufweist.
Optische Anordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anordnung (1) als Mikroskop ausgestaltet ist und/oder für ein mobiles Gerät ausgelegt ist.
Objektiv (51), welches eine optische Anordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst.
Bilderfassungsvorrichtung oder Bildwiedergabevorrichtung, welche ein Objektiv (51) nach dem vorhergehenden Anspruch umfasst.
Gerät (50), welches eine Bilderfassungsvorrichtung oder eine Bildwiedergabevorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch oder eine optische Anordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 25 umfasst.