DE1472071C

DE1472071C - Method and device for the manufacture of aberration-free optical systems

Info

Publication number: DE1472071C
Authority: DE
Inventors: Emmet Norman Plymouth Upatmeks Juris Ann Arbor Mich Leith (V St A)
Original assignee: The Batteile Development Corp , Columbus, Ohio (V St A)
Publication date: 1971-12-16

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung aberrationsfreier optischer Systeme.The invention relates to a method and an apparatus for producing aberration-free optical systems.

Der Erfindung liegt eine neuartige Anwendung sogenannter Hologramme oder der sogenannten HoIographie zugrunde.The invention is based on a new type of application of so-called holograms or so-called holography underlying.

Es sei vorausgeschickt, daß das Gebiet der Holographie zur Zeit des effektiven Anmeldedatums der Erfindung wenig mehr als ein Jahrzehnt alt war und hauptsächlich durch folgende Veröffentlichungen be- ίο kannt wurde: USA.-Patentschriften 2 492 738 und 2770 166 von Dennis Gabor; USA.-Patentschrift 3 083 615 von Hussein-El-Sum; Artikel von Dr. Ing. D. Gabor »Microscopy by reconstructed wave-fronts«; im Journal of the Optical Society of America, Bd. 51 (1961), S. 454 bis 487, und »A New Microscopic Principle« in der Zeitschrift »Nature« vom 15. Mai 1948, S. 777/778; und der Artikel »Reconstructed Wavefronts and Communication Theory« im Journal of the Optical Society of America, Bd. 52 (1962), S. 1123 bis 1130, E.N. Leith und J. Upatnicks. It should be noted in advance that the field of holography at the time of the effective filing date of the Invention was little more than a decade old and was mainly due to the following publications was known: USA patents 2,492,738 and 2,770,166 by Dennis Gabor; U.S. Patent 3,083,615 to Hussein-El-Sum; Article by Dr. Ing. D. Gabor "Microscopy by reconstructed wave-fronts «; in the Journal of the Optical Society of America, Vol. 51 (1961), pp. 454-487, and "A New Microscopic Principle "in the journal" Nature "of May 15, 1948, pp. 777/778; and the article »Reconstructed Wavefronts and Communication Theory "in the Journal of the Optical Society of America, Vol. 52 (1962), pp. 1123-1130, E.N. Leith and J. Upatnicks.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein optisches System frei von Aberrationen zu "machen.The object of the invention is to make an optical system free from aberrations.

Ein breites Strahlenbündel, das auf eine übliche Linse parallel zu deren Achse auftrifft, wird nicht an einem einzigen Punkt fokussiert. Flaue und verzerrte Bilder ergeben sich bei üblichen optischen Systemen infolge von bestimmten Aberrationsfehlern. Sowohl chromatische als auch monochromatische Aberrationen erhöhen die bei optischen Systemen auftretenden Schwierigkeiten, und unter diesen beiden verursachen die monochromatischen Aberrationen für gewöhnlich die kostspieligsten Probleme bei der Herstellung von Linsen. Gemäß der Theorie der monochromatischen Aberrationen wird die Abweichung eines Lichtstrahls von seiner vorgeschriebenen Bahn in fünf Summen S₁ bis S_n ausgedrückt, die Seideische Summen genannt werden. Wenn eine Linse keinerlei Aberrationen aufweisen würde, müßten alle fünf Summen gleichzeitig. und einzeln gleich Null sein. In der geometrischen Optik läßt sich kein optisches System herstellen, das allen diesen Bedingungen gleichzeitig entspricht. Die Summen werden daher getrennt behandelt. Die Aberrationen, die als die fünf monochromatischen Aberrationen bezeichnet werden, heißen sphärische Aberrationen, Koma, Astigmatismus, Bildfeldkrümmung und Verzerrung. Das übliche Verfahren zur Beseitigung solcher Aberrationen besteht darin, eine Linse zu verwenden, die aus mehreren Einzellinsen besteht, wobei Doublet-, Triplet- oder dergleichen Linsen oder beispielsweise Schmidtsche Errektionsplatten entstehen.A broad bundle of rays impinging on a conventional lens parallel to its axis will not be focused at a single point. Fluff and distorted images result in conventional optical systems as a result of certain aberration errors. Both chromatic and monochromatic aberrations add to the difficulties encountered in optical systems, and among the two, monochromatic aberrations usually cause the most costly problems in lens manufacture. According to the theory of monochromatic aberrations, the deviation of a light beam from its prescribed path is expressed in five sums S ₁ to S _n called silk sums. If a lens did not show any aberrations, all five sums would have to be simultaneous. and individually equal to zero. In geometrical optics, it is not possible to produce an optical system which corresponds to all these conditions at the same time. The sums are therefore treated separately. The aberrations referred to as the five monochromatic aberrations are spherical aberrations, coma, astigmatism, curvature of field, and distortion. The usual method for eliminating such aberrations is to use a lens that consists of several individual lenses, with doublet, triplet or similar lenses or, for example, Schmidt's erection plates.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird mittels folgender Verfahrensschritte gelöst:The object according to the invention is achieved by means of the following method steps:

a) kohärentes Licht wird durch ein optisches System geleitet;a) coherent light is passed through an optical system;

b) eine photographische Platte wird so angeordnet, daß sie das durch das optische System hindurchgeleitete Licht aufnimmt, und zwar zwischen dem optischen System und der Ebene des reellen Bildes angeordnet ist, das durch dieses optische System erzeugt wird; 6sb) a photographic plate is arranged so that it receives the light transmitted through the optical system, namely between the optical system and the plane of the real image that passes through it optical system is generated; 6s

c) ein Teil des kohärenten Lichtes wird um das optische System herum abgelenkt und auf die photographische Platte geleitet;c) Part of the coherent light is deflected around the optical system and onto the photographic plate headed;

d) die Platte wird entwickelt und in Zuordnung zu dem optischen System wieder eingesetzt, und zwar in der gleichen Stellung, in der sie durch das kohärente Licht belichtet wurde, und das durch dieses System erzeugte, auf Aberrationen korrigierte Bild wird an einer Stelle entworfen, die gegen die Achse des optischen Systems versetzt ist.d) the disk is developed and reinserted in association with the optical system, and in the same position in which it was exposed by the coherent light, and that aberration corrected image generated by this system is designed in a place which is offset from the axis of the optical system.

Während bisher Hologramme zur Erzeugung bzw. Wiedergabe von Bildern verwendet wurden, wird also erfindungsgemäß ein zu korrigierendes optisches System an Stelle des zu holographierenden transparenten Gegenstandes gesetzt und dann das Hologramm mit dem gleichen optischen System zur Erzeugung eines korrigierten Bildes eines Gegenstandes verwendet. .-While holograms were previously used to generate or reproduce images, is thus, according to the invention, an optical system to be corrected instead of the transparent one to be holographed Object and then the hologram with the same optical system for generating of a corrected image of an object is used. .-

Anders ausgedrückt: das erfindungsgemäße Verfahren läßt die Linse oder das optische System sich »selbst korrigieren«, indem ein Hologramm des Systems einschließlich seiner Aberrationen, hergestellt und dieses Hologramm, das als »Phasenplatte« bezeichnet wird, dann als Beugungsgitter zur Herstellung eines stark aberrationskorrigierten optischen Systems verwendet wird. Hierbei entstehen selbstverständlich nur Kosten für die photographische Platte und die zur Herstellung des Hologramms aufgewendete Zeit. .. . ;In other words: the method according to the invention leaves the lens or the optical system behind "Self-correct" by making a hologram of the system including its aberrations and this hologram, which is called the "phase plate", is then used as a diffraction grating for manufacture a highly aberration corrected optical system is used. This is of course created only the cost of the photographic plate and the cost of making the hologram Time. ... ;

Über Versuche, die die behaupteten, durch die Erfindung erreichbaren Wirkungen untermauern, ist in folgenden Veröffentlichungen, berichtet: »Program the 1965 Spring Meeting« of the Optical Society of America, S. 595, Applied Optics, April 1966, S. 589 bis 593; Physics Letters, 25. März 1968, S. 443 und 444.About experiments that substantiate the alleged effects achievable by the invention is in the following publications, reported: "Program the 1965 Spring Meeting" of the Optical Society of America, p. 595, Applied Optics, April 1966, pp. 589-593; Physics Letters, March 25, 1968, p. 443 and 444.

Zum leichteren Verständnis der erfindungsgemäßen Systeme, Einrichtungen und Verfahren wird auf die nachfolgende Beschreibung einer Ausführungsform der Erfindung und auf deren Darstellung in der Zeichnung verwiesen. In der Zeichnung zeigtFor a better understanding of the systems, devices and methods according to the invention, reference is made to the following description of an embodiment of the invention and its representation in the Referenced drawing. In the drawing shows

F i g. 1 diagrammatisch eine Einrichtung bzw. Anordnung zur Herstellung eines Hologrammes oder einer Phasenplatte unter Verwendung des optischen Systems, dessen Aberrationen korrigiert werden sollen, undF i g. 1 diagrammatically shows a device or arrangement for the production of a hologram or a phase plate using the optical System whose aberrations are to be corrected, and

F i g. 2 diagrammatisch ein das gemäß F i g. 1 her-^ gestellte Hologramm umfassendes, aberrationskorrigiertes optisches System sowie eine Anordnung bzw. Einrichtung zur Verwendung desselben.F i g. 2 diagrammatically shows that according to FIG. 1 her- ^ Provided hologram comprehensive, aberration-corrected optical system as well as an arrangement or Means for using the same.

Wie aus F i g. 1 ersichtlich, wird eine kohärente Lichtquelle 165 in der Objektebene 167 in einem Abstand Z₁ von der Linse oder dem optischen System 169 angeordnet. Das einfallende Strahlenbündel 171 beleuchtet das optische System 169 und ein Prisma 173. Der Abstand z, bestimmt die Ebene, in der ein reelles Bild mit einem bestimmten optischen System entsteht, so daß die Ebene des reellen Bildes 175 in einer Entfernung d.₂ vom optischen System 169 liegt. Der Abstand z, bestimmt den Abstand d.y Z₁ kann in einigen optischen Systemen um nur einige wenige Millimeter variabel sein wie bei einem Mikroskop und in anderen um viele Kilometer wie bei einem Teleskop. Nachdem d.₂ bestimmt wurde, wird eine photographische Platte 177 zwischen dem optischen System 169 und der Ebene 175 des reellen Bildes in einem Abstand d_i vom optischen System 169 angeordnet; dabei ist d_x kleiner als d₂. Das von dem optischen System 169 kommende" objekttragendeAs shown in FIG. 1, a coherent light source 165 is arranged in the object plane 167 at a distance Z ₁ from the lens or the optical system 169 . The incident beam 171 illuminates the optical system 169 and a prism 173. The distance z, determines the plane in which a real image is created with a certain optical system, so that the plane of the real image 175 at a distance d. ₂ from the optical system 169 is located. The distance z, which determines the distance dy Z _1, can be variable in some optical systems by only a few millimeters, as in a microscope, and in others by many kilometers, as in a telescope. After d. ₂ , a photographic plate 177 is placed between the optical system 169 and the plane 175 of the real image at a distance d _i from the optical system 169 ; where d _{x is} smaller than d ₂ . The "object-carrying." Coming from the optical system 169

Strahlenbündel 174 und das Bezugsstrahlenbündel 181, das vom Prisma 173 in einem Winkel Θ abgelenkt wird, erzeugen auf der photographischen Platte 177 zusammen ein Muster aus Interferenzstreifen.The bundle of rays 174 and the reference bundle of rays 181, which is deflected by the prism 173 at an angle Θ , together produce a pattern of interference fringes on the photographic plate 177.

Nach dem Entwickeln der photographischen Platte 177 wird das Hologramm oder die Phasenplatte 177' wieder in praktisch die gleiche Lage in bezug auf das optische System 169' angeordnet, d. h. in einem Abstand dj vom optischen System 169, wie in Fig. 18 gezeigt. Wenn sich die Phasenplatte 177' in dieser Lage befindet, erzeugt jeder Gegenstand 183, der in der Objektebene 167' in einem Abstand Z₂ vom optischen System liegt, ein nicht korrigiertes reelles Bild 185 im üblichen System und ein korrigiertes reelles Bild 187, das im Winkel Θ zur Achse versetzt erscheint. Die Ebene 175' des reellen Bildes hat einen Abstand ά_Ά, der von dem Abstand z., abhängt. Als Licht zum Beleuchten des Gegenstandes 183 kann jedes beliebige Licht verwendet werden, das auch sonst für das optische System 169 benutzt werden würde und natürlich nicht kohärent zu sein braucht. Die Phasenplatte 177' enthält die aufgezeichneten Aberrations-»Muster« des optischen Systems 169, und diese »Muster« beugen das Licht " des optischen Systems von der Achse weg, wodurch die Aberrationen vermieden werden. Die Phasenplatte 177' kann nun als Teil des optischen Systems 169 zur Herstellung eines 'aberrationskorrigierten optischen Systems 169' angesehen werden.After developing the photographic plate 177 , the hologram or phase plate 177 'is again placed in practically the same position with respect to the optical system 169', that is, at a distance dj from the optical system 169, as shown in FIG. If the phase plate 177 'is in this position, each object 183, which lies in the object plane 167' at a distance Z ₂ from the optical system , generates an uncorrected real image 185 in the usual system and a corrected real image 187, which in the Angle Θ appears offset to the axis. The plane 175 'of the real image has a distance ά _Ά , which depends on the distance z. Any light that would otherwise be used for the optical system 169 and of course does not need to be coherent can be used as the light for illuminating the object 183. The phase plate 177 'contains the recorded aberration "patterns" of the optical system 169, and these "patterns" diffract the light "of the optical system away from the axis, thereby avoiding the aberrations. The phase plate 177' can now be used as part of the optical System 169 for making an 'aberration corrected optical system 169' can be considered.

3030th

Claims

Patent claims:

1. A process for the production of aberration-free optical systems, characterized. that it is done using a hologram or a phase plate using the following process steps:

a) coherent light is passed through an optical system; .

b) a photographic plate is arranged so that it is through the optical System receives transmitted light, between the optical system and the plane of the real image generated by this optical system will;

c) part of the coherent light is deflected around the optical system and directed onto the photographic plate;

d) the plate is developed and reinserted in association with the optical system, in the same position in which it was exposed by the coherent light, and the aberration corrected image generated by this system is applied to a Position designed that is offset from the axis of the optical system.

2. phase plate or hologram for performing the method according to claim 1, characterized in that the plate (177 ') has an interference figure pattern, as is caused by the interference of a light beam that passes through an optical system (169) with a reference beam of Light (181) arises, whereby all these light rays were thrown onto a photographic plate (177) , and that the plate (177 ' ) reproduces the aberrations of a lens (169) and is intended to correct these aberrations when assigned to the lens (169) .

3. An optical system corrected for aberrations, characterized by a lens (169) and a phase plate (177 ') according to claim 2, assigned to it and produced with the same using coherent light.

4. Apparatus for carrying out a method for the production of aberration-free optical systems using a phase plate according to claim 1, characterized by a source (165) of coherent light; a lens (169) positioned in the path of the coherent light; a photographic plate (177) arranged at a distance (d,) between the lens (169) and the plane (175) of its real image arranged at a distance (d.) from the lens; means (173) for deflecting a portion (181) of the coherent light around the lens (169) and directing that portion onto the photographic plate (177); and means for maintaining the developed plate (177 ') equidistant ((I ₁ ) from the lens (169), the lens (169) and the plate (177 ') forming an aberration-corrected optical system.

1 sheet of drawings