DE19510052A1

DE19510052A1 - Optisches System mit Spiegelvorsatz

Info

Publication number: DE19510052A1
Application number: DE1995110052
Authority: DE
Inventors: Juergen Dr Ing Pudenz
Original assignee: Carl Zeiss Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 1995-03-20
Filing date: 1995-03-20
Publication date: 1996-09-26
Anticipated expiration: 2015-03-21
Also published as: DE19510052C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf optische Systeme mit Spiegelvorsatz, insbe sondere auf solche optischen Systeme, die mit einem Objektiv, einer Kamera-, Fernrohr,- Projektions- oder einer Kollimatoroptik ausgerüstet sind, gemäß dem Oberbegriff des ersten Anspruches.

Solche Systeme sind geeignet, als Fernrohroptik, oder als Sende- oder Emp fangsoptik auch in Verbindung mit Lasern zum Einsatz zu kommen. Auch als Beleuchtungsoptik für große zu beleuchtende Objekte und Flächen können solche Systeme eingesetzt werden.

Es sind afokale Spiegelsysteme bekannt, so z. B. ein System von Mersenne, welches bis auf die Bildfeldwölbung frei von Abbildungsfehlern ist. Dieses System ist ein Zweispiegelsystem und umfaßt einen konkaven parabolischen Hauptspiegel und einen konvexen oder konkaven parabolischen Gegen spiegel, wobei die Brennpunkte von Haupt- und Gegenspiegel in einem Punkt zusammenfallen. Alle Spiegelsysteme zeichnen sich durch Farbfehler freiheit aus (Riekher "Fernrohre und ihre Meister" 2. Auflage, VEB Verlag Technik Berlin 1990, Seite 89).

Aus Müller-Pouillets "Lehrbuch der Physik und Meteorologie", 2. Band, 3. Buch, Vieweg-Verlag Braunschweig 1909, Seiten 551 bis 554 und König "Die Fernrohre und Entfernungsmesser" 2. Auflage, Springer Verlag 1937, Seiten 75 bis 78 sind ferner Zweispiegelsysteme nach Cassegrain und Gregory bekannt. Bei dem System nach Gregory, welches einen konkaven Haupt- und Gegenspiegel besitzt, werden die einfallenden Strahlen durch den Hauptspiegel so reflektiert, daß ein reelles umgekehrtes Bild entsteht. Dieses Bild befindet sich nahe dem Brennpunkt des Gegenspiegels, durch den es als aufrechtes Bild in die Okularebene abgebildet wird. Dieses System kann auch als Erdfernrohr verwendet werden.

Das System nach Cassegrain umfaßt einen konkaven Hauptspiegel und einen konvexen Gegenspiegel. Es entsteht ein umgekehrtes Bild in der Okular ebene.

Beide Systeme können auch durch eine besondere Anordnung ihrer Spiegel und durch eine entsprechende Gestaltung ihrer reflektierenden Oberflächen so ausgebildet werden, daß sie als afokale optische Systeme wirken, welche den Strahlenquerschnitt in seiner Größe verändern. Eine Möglichkeit dazu bietet das o. g. Mersenne-System mit parabolischem Haupt- und Gegenspie gel.

Refraktoren mit apochromatischen Objektiven, in welchen mindestens ein Flußspatglied oder ein Glied aus einem analogen Glas vorhanden ist, besitzen weitestgehende Farbfehlerfreiheit.

Insbesondere bei Teleskopen ist man bestrebt, durch große Öffnungen mög lichst viel Licht aufzunehmen. Spiegeloptiken, insbesondere Spiegelteleskope, werden mit Durchmessern von mehreren Metern hergestellt. Bei Refraktoren mit apochromatischen Objektiven liegen die maximalen Durchmesser gegenwärtig bei etwa 200 bis 250 mm.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches System mit Spie gelvorsatz zu schaffen, welches ein großes Öffnungsverhältnis bei gutem Korrektionszustand und großer Brennweite besitzt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem optischen System mit Spie gelvorsatz mit den Mitteln des kennzeichnenden Teils des ersten Anspruches gelöst. In den weiteren Ansprüchen sind nähere Ausgestaltungen der Erfin dung dargelegt.

Einem apochromatischen Refraktor mit kleiner Öffnung wird objektseitig ein afokales Spiegelsystem vorgeschaltet. Dafür eignet sich ein System, das oben genannte Spiegelsystem nach Mersenne mit Haupt- und Gegenspiegel, besonders gut, welches bis auf die Bildfeldwölbung frei von Abbildungsfeh lern ist. Ein hoher Bildkontrast wird erreicht, wenn das afokale Spiegelsystem aus zwei off-axis-Paraboloidspiegeln mit einem gemeinsamen Brennpunkt besteht. Als Spiegelvorsätze für den apochromatischen Refraktor kleiner Öffnung eignen sich Systeme vom Typ Cassegrain mit konkavem Hauptspiegel und einem konvexen Gegenspiegel oder vom Typ Gregory mit konkavem Haupt- und Gegenspiegel.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 ein optisches System mit afokalem Spiegelvorsatz nach Mersenne,

Fig. 2 ein solches System nach Gregory in off-axis-Ausführung und

Fig. 3 ein solches System nach Cassegrain in off-axis-Ausführung.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten System ist einem Refraktor mit geringer Öff nung, bestehend aus einem vorzugsweise apochromatischen Objektiv 1 und einem Okular 2, ein afokaler, aus zwei Spiegeln, einem Hauptspiegel 3 und einem Gegenspiegel 4, bestehender Spiegelvorsatz objektseitig vorgeordnet. Dieser Spiegelvorsatz entspricht einem Zweispiegelsystem nach Mersenne vom Typ Gregory, bei welchem ein konkaver parabolischer Hauptspiegel 3 und ein konkaver oder konvexer parabolischer Gegenspiegel 4 im Strahlengang derart angeordnet sind, daß die Brennpunkte von Haupt- und Gegenspiegel auf der optischen Achse zusammenfallen. Der Gregory-Typ weist den zusätzlichen Vorteil auf, daß der als Eintrittspupille EP wirkende Hauptspiegel 3 vom konkaven Gegenspiegel 4 als reelles Bild EP′ an den Ort des nachgeschalteten Objektivs 1 abgebildet wird. Das vom Gegenspiegel 4 reflektierte Lichtbündel besitzt einen wesentlich geringeren Querschnitt als das auf den Hauptspiegel 3 treffende Lichtbündel. Dabei ist das Verhältnis gleich der Vergrößerung Γ des Zweispiegelsystems. Ein Vorteil dieses Zweispiegelsystems besteht darin, daß es bis auf die Bildfeldwölbung frei von Abbildungsfehlern ist. Die Bildfeldwölbung kann beim Gregory-Typ besonders leicht mit dem nachgeschalteten Objektiv 1 kompensiert werden, weil es die umgekehrte Bildfeldwölbung besitzt wie der Spiegelvorsatz. Das Zweispiegelsystem besitzt keine Farbfehler. Durch das nachgeordnete apochromatische Objektiv 1, z. B. ein APQ-Objektiv mit Flußspatglied oder einem in seinen optischen Eigenschaften ähnlichen Glied, wird diese weitestgehende Farbfehlerfreiheit im weiteren Strahlengang beibehalten.

Wie in Fig. 2 und 3 dargestellt, besteht der afokale Spiegelvorsatz aus zwei off-axis-Paraboloiden, d. h. es sind zwei Paraboloidflächenausschnitte, die außerhalb der optischen Achse 5 benutzt werden, auf der der gemeinsame Brennpunkt liegt. Diese benutzten Paraboloidflächen beinhalten auch nicht die Scheitel der Paraboloide.

Fig. 2 zeigt einen, dem Gregory-Typ ähnlichen afokalen Spiegelvorsatz, der dem Objektiv 1 des Refraktors vorgeschaltet ist. Dieser Spiegelvorsatz umfaßt einen konkaven Hauptspiegel 3 und einen konkaven Gegenspiegel 4, die beide off-axis-Paraboloidflächen als reflektierende Flächen besitzen. Der Brennpunkt F_H des Hauptspiegels 3 und der Brennpunkt F_G des Gegenspiegels 4 fallen zusammen und liegen auf einer die Mitten M_H und M_G dieser Spiegel verbindenden Geraden.

Das in Fig. 3 dargestellte optische System, welches ein Zweispiegelsystem ist und dem Cassegraintyp ähnlich ist, umfaßt einen afokalen Spiegelvorsatz, der aus einem konkaven Hauptspiegel 3 und einem konvexen Gegenspiegel 6 besteht. Auch diese beiden Spiegel 3 und 6 besitzen als reflektierende Flä chen off-axis-Paraboloidflächen, deren Brennpunkte F_H und F_G zusammen fallen.

Das von den Gegenspiegeln 4 und 6 dieser Spiegelvorsätze reflektierte Licht wird als Parallellichtbündel mit gegenüber dem, auf den Hauptspiegel 3 auf treffenden Lichtbündel reduziertem Querschnitt dem nachgeordneten Objektiv 1 zugeleitet. Der Querschnitt des auf das Objektiv 1 treffenden Lichtbündels ist um den Faktor Γ gegenüber dem auf den Hauptspiegel 3 auftreffenden Lichtbündel reduziert, wobei Γ der Vergrößerungsfaktor des afokalen Spiegelsystems ist.

Die Vorzüge des erfindungsgemäßen optischen Systems sollen an einem Zahlenbeispiel veranschaulicht werden. Beträgt z. B. bei einem praktischen Beispiel Γ = 3, dann wird ein auf den Hauptspiegel 3 auftreffendes Lichtbün del mit einem Durchmesser von 450 mm durch den afokalen Spiegelvorsatz in ein paralleles Lichtbündel mit einem Durchmesser von 150 mm transformiert, welches dann auf das nachgeordnete Objektiv 1 von 150 mm freier Öffnung trifft. Bei einer Brennweite des Objektivs von 1200 mm und einer freien Öffnung von 150 mm hätte das gesamte, aus Spiegelvorsatz und nachgeordnetem Fernrohrsystem (Objektiv 1) bestehende System eine Öff nung von 450 mm und 3600 mm Brennweite, womit sich ein für diese Öff nung außergewöhnlich großes Öffnungsverhältnis von f/8 ergibt.

Claims

1. Optisches System mit Spiegelvorsatz, umfassend ein Objektiv, dadurch gekennzeichnet, daß dem Objektiv (1) objektseitig ein mindestens zwei Spiegel (3 und 4) umfassendes, afokales, den Durchmesser des einfallenden Lichtbündels um einen Faktor F reduzierendes Spiegelsystem vorgeordnet ist, wobei F der Ver größerungsfaktor des Spiegelsystems ist.

2. Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das afokale Spiegelsystem aus zwei Paraboloidspiegeln besteht.

3. Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das afokale Spiegelsystem aus mindestens zwei off-axis-Paraboloidspie geln besteht.

4. Optisches System nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein afokales Spiegelsystem nach Mersenne mit zwei Paraboloidspiegeln vorgesehen ist, bei dem die Brennpunkte (F_H und F_G ) der beiden Paraboloidspiegel zusammenfallen.

5. Optisches System nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierende Fläche des Hauptspiegels des Spiegelsystems konkav und die des Gegenspiegels konkav oder konvex ausgebildet ist.

6. Optisches System nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das afokale Spiegelsystem aus konkavem Haupt- und Gegenspiegel besteht.

7. Optisches System nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das afokale Spiegelsystem aus einem konkaven Hauptspiegel und einem konvexen Gegenspiegel besteht.