DE19549247C2

DE19549247C2 - Compact super wide angle eyepiece with flat field of view

Info

Publication number: DE19549247C2
Application number: DE1995149247
Authority: DE
Inventors: Frank Gallert
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-12-19
Filing date: 1995-12-19
Publication date: 1999-11-11
Anticipated expiration: 2015-12-20
Also published as: DE19549247A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Okular für astronomische Instrumente und hierbei speziell auf ein neuartiges Superweitwinkel-Okular mit bis zu 100 Grad scheinbarem Gesichtsfeld, wobei das Okular ein ebenes Bildfeld, kompakten Aufbau und korrigierte sphärische Aberra tion der Austrittspupille aufweist.The invention relates to an eyepiece for astronomical instruments and specifically here to a new type of super wide-angle eyepiece with an apparent field of view of up to 100 degrees, where the eyepiece has a flat field of view, compact construction and corrected spherical aberration tion of the exit pupil.

Als Weitwinkel-Okulare werden solche mit einem scheinbaren Gesichtsfeld von mehr als 60 Grad bezeichnet. Für Okulare mit 70 Grad und mehr Durchmesser des scheinbaren Gesichtsfeldes hat sich die Bezeichnung Superweitwinkel-Okular beziehungsweise Super weitfeld-Okular und teilweise auch Ultraweitwinkel-Okular eingebürgert.Wide-angle eyepieces are those with an apparent field of view of more than Designated 60 degrees. For eyepieces with a diameter of 70 degrees and more of the apparent Field of view has the designation super wide-angle eyepiece or super Wide-field eyepiece and partly also ultra-wide-angle eyepiece naturalized.

Das erste wirkliche Weitwinkel-Okular wurde von Erfle im Jahr 1912 angegeben und wurde ursprünglich für militärische Anwendungen entwickelt. In seiner ursprünglichen Form besteht es aus zwei achromatischen Dubletts mit einer bikonvexen Linse zwischen den Dubletts. In seiner heutigen Form wird es als modifiziertes 6 - Element Erfle-Okular mit bis zu 82 Grad scheinbarem Gesichtsfeld hergestellt. Die Zerstreuung für ein solches Okular liegt für ein scheinbares Gesichtsfeld von 60 Grad und bei einem einfallenden Lichtkonus von f/5 bei beträchtlichen 40 Bogenminuten und ist damit also größer als der Vollmond dem unbewaffne ten Auge erscheint. Nimmt man an, daß ein Parabolspiegel der Öffnungszahl 6 zusammen mit einem solchen Okular beispielsweise 60-fache Vergrößerung ergibt und so unter Vernachlässi gung der Verzeichnung ein Objektfeld von 1 Grad Durchmesser übertragen werde, so geben die 10 Bogensekunden ursprüngliche Koma des Parabolspiegels bei 60-facher Vergrößerung 600 Bogensekunden = 10 Bogenminuten. D. h. die im Gesichtsfeld sichtbaren Aberrationen, die aus der Überlagerung der Aberrationen von Objektiv und Okular gebildet werden, sind in diesem Beispiel hauptsächlich durch das Okular bedingt! Hätte man gar ein Objektiv von 250 Millimeter Durchmesser der Öffnungszahl 6, das auf einem Objektfeld von 1 Grad Durchmes ser beugungsbegrenzt abbildet, so erscheint die Airy-Disk in einem Okular von 25 Millimeter Brennweite - und damit bei 60 facher Vergrößerung für das Teleskop - unter einem Winkel von 1 Bogenminute. Das heißt, die kombinierte Aberration von 40 Bogenminuten am Rand des scheinbaren Gesichtsfeldes von 60 Grad, sowie überhaupt die sichtbaren Aberrationen auf dem gesamten Gesichtsfeld sind dann allein durch das Okular bedingt und machen die erreichte Korrektion des Objektives vollkommen illusorisch. Die Verbesserung der Abbildungsqualität von Amateurteleskopen für visuelle Zwecke führt damit hauptsächlich über die Verbesserung der Abbildungsqualität des Okulars. Das unbewaffnete Auge ist in der Lage, etwa einen Winkel von 1 Bogenminute aufzulösen. Ein fehlerfreies Objektiv von 5 Millimeter Durchmesser erzeugt für die Mitte des sichtbaren Spektralbereichs eine Airy-Disk von ebenfalls etwa 1 Bogenminute Durchmesser. Für ein Okular von 25 Millimeter Brennweite entspricht der Winkel von 1 Bogenminute linear 7 Mikrometer in seiner Bildebene. Die Airy-Disk für ein Okular, das für die Öffnungszahl 5 ausgebildet ist, hat für die Wellenlänge 600 Nanometer einen Durchmesser von 7 Mikrometer. Im allgemeinen betrachtet man Aberrationen in einem Okular von unter 3 Bogenminuten als einwandfrei. Genaugenommen müßte jedoch ein Okular von 25 Millimeter Brennweite, das eine beugungsbegrenzte Übertragung eines f/5 Konus ermöglichen soll, zumindestens in der optischen Achse und deren Umgebung das Licht des sichtbaren Wellenlängenbereiches innerhalb der Airy-Disk und damit in 1 Bogenminute Durchmesser des Zerstreuungsscheibchens vereinigen. Allgemein gilt für den zulässigen Durchmesser d' des Zerstreuungsscheibchens in Bogenminuten für eine beugungsbegrenzte
The first true wide-angle eyepiece was specified by Erfle in 1912 and was originally developed for military applications. In its original form, it consists of two achromatic doublets with a biconvex lens between the doublets. In its current form, it is manufactured as a modified 6-element Erfle eyepiece with an apparent field of view of up to 82 degrees. For an apparent field of view of 60 degrees and with an incident light cone of f / 5, the dispersion for such an eyepiece is a considerable 40 arc minutes and is therefore larger than the full moon appears to the unarmed eye. If one assumes that a parabolic mirror with an aperture of 6 together with such an eyepiece gives, for example, a 60-fold magnification and thus neglecting the distortion, an object field of 1 degree in diameter is transmitted, then the 10 arcseconds give the original coma of the parabolic mirror at 60-fold Magnification 600 arc seconds = 10 arc minutes. That is, the aberrations visible in the visual field, which are formed by superimposing the aberrations of the objective and the eyepiece, are mainly caused by the eyepiece in this example! If you even had a lens with a diameter of 6 mm and an aperture of 6 that shows diffraction-limited imaging on an object field of 1 degree in diameter, the Airy-Disk appears in an eyepiece with a focal length of 25 millimeters - and therefore at a 60x magnification for the telescope at an angle of 1 minute of arc. This means that the combined aberration of 40 arc minutes at the edge of the apparent field of view of 60 degrees, as well as the visible aberrations on the entire field of view, are then solely due to the eyepiece and make the correction of the lens completely illusory. The improvement in the imaging quality of amateur telescopes for visual purposes thus primarily leads to the improvement in the imaging quality of the eyepiece. The unarmed eye is able to resolve an angle of about 1 minute of arc. A flawless lens with a diameter of 5 millimeters creates an Airy disk with a diameter of about 1 arc minute for the center of the visible spectral range. For an eyepiece with a focal length of 25 millimeters, the angle of 1 arc minute corresponds linearly to 7 micrometers in its image plane. The Airy disk for an eyepiece, which is designed for an opening number of 5, has a diameter of 7 micrometers for the wavelength 600 nanometers. In general, aberrations in an eyepiece of less than 3 arc minutes are considered flawless. Strictly speaking, however, an eyepiece with a focal length of 25 millimeters, which should allow diffraction-limited transmission of an f / 5 cone, should at least in the optical axis and its surroundings unite the light of the visible wavelength range within the Airy disk and thus in 1 arc minute diameter of the diffusing disk. In general, the following applies to the permissible diameter d 'of the scattering disc in arc minutes for a diffraction-limited one

Übertragung: d' = (25 Millimeter/f) . (N/5) . 1 Bogenminute, [1]
Transmission: d '= (25 mm / f). (N / 5). 1 minute of arc, [1]

wobei f die Brennweite des Okulars in Millimeter und N die Öffnungszahl des einfallenden Lichtkonus ist, der durch ein vorgelagertes Objektiv erzeugt wird. Für eine Brennweite von beispielsweise f = 12,5 Millimeter und die Öffnungszahl N = 5 ergibt sich d' = 2 Bogenminuten. Für die Brennweite f = 25 Millimeter und die Öffnungszahl 10 ergibt sich ebenfalls der Durch messer d' = 2 Bogenminuten. Hieraus ist ersichtlich, daß aus Gleichung [1] eine weitere Beziehung für d' abgeleitet werden kann. Sie lautet:
where f is the focal length of the eyepiece in millimeters and N is the number of openings of the incident light cone, which is generated by an upstream lens. For a focal length of, for example, f = 12.5 millimeters and the number of openings N = 5, d '= 2 arc minutes results. For the focal length f = 25 millimeters and the number of openings 10 , the diameter d '= 2 arc minutes also results. From this it can be seen that a further relationship for d 'can be derived from equation [1]. It is:

d' = (5 Millimeter/Dap) . 1 Bogenminute, [2]
d '= (5 millimeters / dap). 1 minute of arc, [2]

wobei Dap der Durchmesser der Austrittspupille des Okulars in Millimetern ist.where Dap is the diameter of the exit pupil of the eyepiece in millimeters.

Der wesentliche Durchbruch im Design von Weitfeld-Okularen wurde im Jahr 1980 von Albert Nagler erreicht. Siehe hierzu U.S. Patent 4.286.844. Im Nagler-Design wird das vom Objektiv kommende Licht, bevor es sich in der Bildebene vereinigt, durch ein zerstreuendes System (Smyth-Linse) in eine weiter vom Objektiv liegende Bildebene abgebildet, die etwa mit der Feldblende des Okulars übereinstimmt. Rechts von der Feldblende befindet sich das sammelnde System, das die Strahlen kollimiert und in der Austrittspupille Bündel verschiede ner Neigung überschneiden läßt. Die Einführung eines negativen Systems bringt zwei Vorteile: zum einen wird die Bildfeldkrümmung, die bei konventionellen Okularen auftritt, gemindert, zum anderen wird die Konvergenz jedes Bündels verringert, wodurch eine bessere Korrektion der Bildaberrationen ermöglicht wird. Diese Vorteile werden jedoch dadurch erkauft, daß die Baulänge und der Durchmesser des Nagler-Okulars weit größer ist als die erzielte Brennweite. Typisch ist eine über 8-fach größere Baulänge als die Brennweite. Somit ist ersichtlich warum Okulare des Nagler-(1) Typs kommerziell nur bis zu einer Brennweite von 13 Millimetern erhältlich sind. Der Durchmesser dieses Okulars beträgt 62 Millimeter und die Masse beträgt etwa 750 Gramm. Der Preis eines derartigen Okulars liegt in der Größenordnung eines guten Refraktorobjektives von 80 Millimeter Durchmesser. Ein Nagler-(1) Okular von 25 Millimeter Brennweite hätte einen Durchmesser von 120 Millimeter! Trotzdem löste das Nagler Okular bei seinem Erscheinen geradezu euphorische Reaktionen aus. Es ist nicht allein die weit verbesserte Korrektion dieses Okulars sondern auch das subjektive Gefühl des Beobachters, der nicht mehr in ein kleines dunkles Gesichtsfeld blickt, sondern das Gefühl von Freiheit, das ein weit geöffnetes Feld von über 80 Grad vermittelt, auf dem nun wesentlich mehr Objekte auf einmal beobachtet werden können. Ist der Ausdruck auch überstrapaziert - hier stimmt er - das Nagler Okular öffnete den Blick in eine andere Welt. Allein der hohe Preis dämpfte etwas die Freude. Trotzdem bleibt die Einführung des Nagler Designs ein Quantensprung. Eine sehr gute Darstellung der gebräuchlichsten Okulare, ihrer Geschichte, Problematik des Designs und ihrer Leistungsfähigkeit findet man im Buch "TELESCOPE OPTICS, Evaluation and Design" von Harrie Rutten und Martin von Venrooij erschienen bei Willmann-Bell, Inc. 1988 auf den Seiten 157 bis 191.The major breakthrough in the design of wide field eyepieces was in 1980 by Albert Nagler reached. See U.S. Patent 4,286,844. In the nailer design, this is from Lens coming light before it unites in the image plane by a diffusing System (Smyth lens) in an image plane farther from the lens, which is about corresponds to the field diaphragm of the eyepiece. That is to the right of the field diaphragm collecting system that collimates the rays and merges bundles in the exit pupil overlap. The introduction of a negative system has two advantages: on the one hand the field curvature that occurs with conventional eyepieces is reduced, secondly, the convergence of each bundle is reduced, resulting in better correction the image aberrations is made possible. However, these advantages are bought in that the Overall length and the diameter of the Nagler eyepiece is far larger than the focal length achieved. It is typical that the length is more than 8 times longer than the focal length. So you can see why Nagler (1) -type eyepieces commercially only up to a focal length of 13 millimeters are available. The diameter of this eyepiece is 62 millimeters and the mass is about 750 grams. The price of such an eyepiece is in the order of a good one Refractor lenses with a diameter of 80 millimeters. A 25 mm Nagler (1) eyepiece Focal length would have a diameter of 120 millimeters! Nevertheless, the Nagler loosened the eyepiece when he appeared outright euphoric reactions. It is not alone that far improved correction of this eyepiece but also the subjective feeling of the observer, who no longer looks into a small dark field of vision, but the feeling of freedom, that a wide open field of over 80 degrees conveys on which now significantly more objects can be observed at once. If the expression is also overused - here it is correct - the Nagler eyepiece opened the eyes to another world. The high price alone dampened something the joy. Nevertheless, the introduction of the Nagler design remains a quantum leap. A very good representation of the most common eyepieces, their history, problems of the Designs and their performance can be found in the book "TELESCOPE OPTICS, Evaluation and Design "by Harrie Rutten and Martin von Venrooij published by Willmann-Bell, Inc. 1988 on pages 157 to 191.

Das grundlegende Problem im Design eines Okulares liegt in der Tatsache, daß die Austritts pupille desselben (die etwa der Eintrittspupille eines Objektives äquivalent ist) außerhalb des eigentlichen optischen Systems liegen muß, damit diese zusammenfallen kann mit der Pupille des menschlichen Auges. Dieser Abstand der Austrittspupille vom letzten Linsenscheitel - das sogenannte eye-relief - darf nicht zu gering sein, bedingt durch die Eigenheiten der menschlichen Anatomie. Gleichzeitig ist jedoch eine Weitfeldkorrektion zu realisieren. Das sogenannte scheinbare Gesichtsfeld eines Okulars ist bei Abwesenheit von sphärischer Aberration der Austrittspupille dem Winkeldurchmesser des Objektfeldes eines Objektives äquivalent. Das Adjektiv scheinbar bezieht sich auf die Verzeichnung eines Okulars. Es ist wegen dieser Verzeichnung nicht möglich das scheinbare Gesichtsfeld einfach durch die Vergrößerung des Fernrohres zu teilen um so den wirklich beobachteten Winkeldurchmesser des Objektfeldes - das heißt des Bildfeldes des vorgelagerten Objektives - zu erhalten. Im allgemeinen ist das Design eines Okulars ein Try and Error-Prozeß. Dies ist hauptsächlich dadurch bedingt, daß konventionelle Okulare meistens konkave Bildfeldkrümmung besitzen und dadurch, daß die Austrittspupille sphärische Aberration aufweist, wodurch ein einfaches "rückwärts" rechnen durch das Okular verunmöglicht wird. Die konkave Bildfeldkrümmung ist grundlegend dadurch verursacht, daß in diesen Okularen die Petzvalsumme nicht beseitigt ist, wobei zudem die Beseitigung des Astigmatismus in einem Okular am schwierigsten ist. Damit keine allzu starke Akkomodation des Auges für verschiedene Bereiche des Gesichts feldes notwendig ist, wird das Design mit ebenem Bildfeld bevorzugt, was jedoch bei nicht korrigierter Petzvalsumme naturnotwendig die Einführung von Astigmatismus bedeutet. Vorbekannte Okulare - mit Ausnahme des sogenannten Nagler-2 Designs - weisen die soge nannte sphärische Aberration der Austrittspupille auf, bei der der Schnittpunkt des Haupt strahls eine Funktion des Feldwinkels und damit der Neigung des jeweiligen Hauptstrahls ge gen die optische Achse ist. Ein Resultat ist der sogenannte Kidney-Bean Effekt, durch den Randpartien des Gesichtsfeldes abgeschattet werden, da die Schnittweite von deren Haupt strahlen kürzer ist und so die zugehörigen Bündel nicht die Pupille des Beobachters ohne Vignettierung passieren können. Der Beobachter ist dann gezwungen das Auge in Richtung auf das Okular zuzubewegen. Teile des Gesichtsfeldes werden dann vignettiert, was zu den sogenannten flüchtigen bohnenförmigen Schatten führt. (fleeting bean shaped shadows) Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt ein Okular anzugeben, das ein ebenes Bildfeld aufweist und frei ist von der sphärischen Aberration der Austrittspupille, um den Kidney-Bean Effekt zu vermeiden. Dabei soll ein scheinbares Gesichtsfeld von bis zu bisher unerreichten 100 Grad Durchmesser erzielt werden. Bei einem scheinbaren Gesichtsfeld von 80 Grad soll die Abbildungsqualität des Nagler-Okulars als des bisher besten Designs übertroffen werden. Das erfindungsgemäße Okular weist hierbei wesentlich geringere Baulänge und Durchmesser als das Nagler-Okular gleicher Brennweite auf, so daß höchstkorrigierte Superweitwinkel- Okulare auch für den Brennweitenbereich von 16 bis 40 Millimeter Brennweite verfügbar wer den. Erstmalig wird für einen f/5 Konus - wie er beispielsweise bei lichtstarken Parabolspiegeln der Öffnungszahl 5 vorkommt - bei hochkorrigiertem Bildfeld die Umgebung der optischen Achse breitbandig beugungsbegrenzt abgebildet. Ebenfalls erstmalig wird für einen f/10 Konus, so wie er in den meisten kommerziell erhältlichen Schmidt-Cassegrain Teleskopen vorkommt, ein scheinbares Gesichtsfeld von 60 Grad Durchmesser für Okulare bis 25 Millimeter Brennweite beugungsbegrenzt übertragen.The basic problem in the design of an eyepiece lies in the fact that its exit pupil (which is roughly equivalent to the entry pupil of a lens) must lie outside the actual optical system so that it can coincide with the pupil of the human eye. This distance of the exit pupil from the last lens apex - the so-called eye relief - must not be too small, due to the peculiarities of the human anatomy. At the same time, however, wide-field correction must be implemented. The so-called apparent field of view of an eyepiece is equivalent to the angular diameter of the object field of a lens in the absence of spherical aberration of the exit pupil. The adjective apparently refers to the distortion of an eyepiece. Because of this distortion, it is not possible to divide the apparent field of view simply by enlarging the telescope in order to obtain the really observed angular diameter of the object field - that is, the image field of the upstream lens. In general, the design of an eyepiece is a try and error process. This is mainly due to the fact that conventional eyepieces mostly have a concave curvature of the field and the fact that the exit pupil has spherical aberration, which makes simple "backward" calculation through the eyepiece impossible. The concave curvature of the field is basically caused by the fact that the Petzval sum is not eliminated in these eyepieces, and the removal of astigmatism in an eyepiece is also the most difficult. The design with a flat image field is preferred so that the eye is not overly accommodated for different areas of the field of view, but this naturally means the introduction of astigmatism if the Petzval sum is not corrected. Previously known eyepieces - with the exception of the so-called Nagler-2 design - have the so-called spherical aberration of the exit pupil, in which the intersection of the main beam is a function of the field angle and thus the inclination of the respective main beam against the optical axis. One result is the so-called kidney bean effect, through which peripheral areas of the visual field are shadowed, since the focal length of their main rays is shorter and the associated bundles cannot pass through the pupil of the observer without vignetting. The observer is then forced to move the eye towards the eyepiece. Parts of the visual field are then vignetted, which leads to the so-called volatile bean-shaped shadows. (fleeting bean shaped shadows) The object of the invention is to provide an eyepiece which has a flat image field and is free from the spherical aberration of the exit pupil in order to avoid the kidney bean effect. The aim is to achieve an apparent field of view of up to 100 degrees in diameter that has never been achieved before. With an apparent field of view of 80 degrees, the imaging quality of the Nagler eyepiece should be surpassed as the best design so far. The eyepiece according to the invention has a much smaller length and diameter than the Nagler eyepiece of the same focal length, so that highly corrected super wide-angle eyepieces are also available for the focal length range from 16 to 40 millimeters. For the first time for an f / 5 cone - as occurs, for example, in bright parabolic mirrors with an opening number of 5 - the surroundings of the optical axis are shown with broadband diffraction-limited diffraction with a highly corrected image field. Also for the first time, an apparent field of view with a diameter of 60 degrees for eyepieces with a focal length of 25 millimeters is diffraction-limited for an f / 10 cone, such as is found in most commercially available Schmidt-Cassegrain telescopes.

Das heißt, die zugeordneten Zerstreuungsscheibchen in der planen Bildebene des Okulars verbleiben rückwärts von der Austrittspupille gerechnet im sichtbaren Spektralbereich deutlich unter 14 Mikrometer und sind damit kleiner sein als die der Öffnungszahl 10 zugeordnete Airy- Disk. Kein vorbekanntes Okular weist eine derartige Korrektion auf.That is, the associated scattering disks in the planar image plane of the eyepiece remain backward from the exit pupil expected in the visible spectral range well below 14 microns, and are to be so smaller than the numerical aperture 10 associated Airy disk not previously known eyepiece, such a correction on..

Aufgabe der Erfindung ist es somit erstmalig ein Ultraweitwinkel-Okular mit bis zu 100 Grad Durchmesser des scheinbaren Gesichtsfeldes anzugeben, das die Abbildungsqualität eines 80 Grad Nagler-Okulars gleicher Brennweite übertrifft. Die Aufgabe wird gelöst durch ein erfindungsgemäßes Okular gemäß Anspruch 1.The object of the invention is therefore for the first time an ultra wide-angle eyepiece with up to 100 degrees Diameter of the apparent field of view to indicate the image quality of an 80th Degree Nagler eyepieces of the same focal length exceeds. The task is solved by a Eyepiece according to the invention according to claim 1.

Ausgehend von einer Bildebene 0, die von einem vorgelagerten Objektiv erzeugt werde, triff das Licht auf einen gegen das Licht konkaven Meniskus 1, der als Kittgruppe ausgeführt ist. Nachfolgend trifft das Licht auf eine Gruppe sammelnder Linsen 2, die vorzugsweise aus glei chem optischen Material bestehen. Die Anzahl dieser sammelnden Linsen richtet sich nach der angestrebten Korrektion und dem Durchmesser des scheinbaren Gesichtsfeldes, das korrigiert werden soll. Für ein Okular von 100 Grad scheinbarem Gesichtsfeld finden drei sammelnde Linsen 2a, 2b und 2c Verwendung. Für kleinere scheinbare Gesichtsfelder von 70 Grad Durch messer genügen zwei Sammellinsen. Bei Gesichtsfeldern bis 60 Grad genügt eine Sammellinse. Nach der Gruppe sammelnder Linsen 2 trifft das Licht auf eine sammelnde Kittgruppe 3, deren erster Radius konvex gegen das einfallende Licht ist. Schließlich trifft das Licht auf einen gegen das einfallende Licht erhabenen Meniskus 4 und von dort in die Austrittspupille 5, in der sich Bündel parallelen Lichtes verschiedener Neigung schneiden.Starting from an image plane 0, which is generated by an upstream lens, the light strikes a meniscus 1 , which is concave against the light and is designed as a cement group. Subsequently, the light strikes a group of collecting lenses 2 , which preferably consist of the same chemical optical material. The number of these collecting lenses depends on the desired correction and the diameter of the apparent field of vision that is to be corrected. For an eyepiece of 100 degrees apparent field are three converging lenses 2a, 2b and 2c use. For smaller apparent fields of view of 70 degrees in diameter, two converging lenses are sufficient. A collecting lens is sufficient for fields of view up to 60 degrees. After the group of collecting lenses 2 , the light strikes a collecting putty group 3 , the first radius of which is convex to the incident light. Finally, the light strikes a meniscus 4 raised against the incident light and from there into the exit pupil 5 , in which bundles of parallel light of different inclinations intersect.

Substantiell für die erzielte hochgradige Korrektion im erfindungsgemäßen Okular ist die Null stellung der Petzvalsumme. Erst hierdurch wird es für ein ebenes Bildfeld 0 möglich, die hoch gradige Korrektion des Astigmatismus zu erzielen. Im erfindungsgemäßen Okular wird bereits durch die Elemente 1, 2 und 3 substantiell die Abbildung erbracht, sowie Koma, Astigmatismus und Farbvergrößerungsfehler korrigiert, während nur geringe sphärische Aberration und Farb längsfehler verbleibt. Dabei dient bereits Element 1 dazu, die Petzvalbeiträge, die durch die sammelnden Elemente 2 und 3 eingeführt werden, zu reduzieren.The zero setting of the Petzval sum is substantial for the high-level correction achieved in the eyepiece according to the invention. This is the only way for a flat image field 0 to achieve the high-level correction of astigmatism. In the eyepiece according to the invention, elements 1 , 2 and 3 already provide substantial imaging, and coma, astigmatism and color magnification errors are corrected, while only slight spherical aberration and longitudinal color errors remain. Element 1 already serves to reduce the Petzval contributions introduced by collecting elements 2 and 3 .

Liegt nun der Meniskus 4 mit seinen Flächen substantiell konzentrisch zum Schnittpunkt der Austrittspupille 5 mit der optischen Achse, führt er - rechnet man rückwärts durch das Okular von der Austrittspupille 5 an - weder Koma noch Astigmatismus noch Farbvergrößerungsfeh ler ein. Der eingeführte geringe Farblängsfehler und die sphärische Aberration kompensieren sich mit den zugeordneten Fehlern des restlichen Okulars aus den Elementen 1, 2 und 3. Der Meniskus 4 dient, indem er den Strahlengang bezüglich der Symmetriefehler Koma und Astigmatismus sowie des Farbvergrößerungsfehlers nicht beeinflußt, dazu eine Petzvalkrüm mung einzuführen, die der Petzvalkrümmung, die die Elemente 1, 2 und 3 einführen, entgegen gesetzt ist und diese kompensiert. So ist es möglich das erfindungsgemäße Okular bei hoch gradiger Korrektion der Abbildungsfehler für ein ebenes Bildfeld 0 auszubilden.If the surface of the meniscus 4 is now substantially concentric with the intersection of the exit pupil 5 with the optical axis, it does not introduce coma, astigmatism or color magnification errors - if one counts backwards through the eyepiece from the exit pupil 5 . The introduced minor longitudinal chromatic aberration and the spherical aberration compensate for the associated errors of the rest of the eyepiece from elements 1 , 2 and 3 . The meniscus 4 serves, by not influencing the beam path with respect to the symmetry error coma and astigmatism and the color magnification error, to introduce a Petzval curve which is opposite to and compensates for the Petzval curve which elements 1 , 2 and 3 introduce. It is thus possible to design the eyepiece according to the invention with a high degree of correction of the imaging errors for a flat image field 0.

Die sphärische Aberration der Austrittspupille wurde vermeidbar, indem das computeropti mierte Design entgegengesetzt dem Lichtweg von der Austrittspupille 5 an berechnet wurde. In erster Näherung wird hierbei bildseitig telezentrischer Strahlengang angenommen. In einem zweiten Schritt kann dann die bildseitige Neigung der Hauptstrahlen mit beachtet werden. Es ist unmittelbar evident, daß ein erfindungsgemäßes Okular durch Umkehrung der Licht richtung auch als Weitwinkelobjektiv mit telezentrischem Strahlengang anwendbar ist, wobei als Detektor CCD's zum Einsatz kommen können. Hierzu ist nur in der Ebene der Austritts pupille 5 des Okulars eine Irisblende einzubringen. Ebenso ist dort ein gegen die optische Achse geneigter und um den Mittelpunkt der Austrittspupille drehbarer Planspiegel einbring bar, wodurch beispielsweise ein Laser - Scanning beziehungsweise Laser - Belichtungssystem realisierbar wird. Weitere Ausbildungen des erfindungsgemäßen Okulars sind in den Ansprüchen 2 bis 7 offenbart. In seinem eigentlichen Einsatzzweck als Okular soll die Erfin dung nachstehend an mehreren Ausführungsbeispielen erläutert werden.The spherical aberration of the exit pupil was avoidable by calculating the computer-optimized design opposite to the light path from the exit pupil 5 . In a first approximation, the telecentric beam path is assumed on the image side. In a second step, the inclination of the main rays on the image side can also be taken into account. It is immediately evident that an eyepiece according to the invention can also be used as a wide-angle lens with a telecentric beam path by reversing the direction of light, and CCDs can be used as detectors. For this purpose, an iris diaphragm is only to be introduced in the plane of the exit pupil 5 of the eyepiece. Likewise, a plane mirror that is inclined against the optical axis and rotatable about the center point of the exit pupil can be introduced, as a result of which, for example, a laser scanning or laser exposure system can be implemented. Further developments of the eyepiece according to the invention are disclosed in claims 2 to 7. In its actual use as an eyepiece, the invention will be explained below using several exemplary embodiments.

In den dazugehörigen Figuren zeigen:The accompanying figures show:

Fig. 1 Darstellung des prinzipiellen Aufbaus eines erfindungsgemäßen Okulars für die Öffnungszahl 5 und 80 Grad Durchmesser des scheinbaren Gesichtsfeldes, wobei die Gruppe sammelnder Linsen 2 hier aus drei Linsen 2a, 2b und 2c besteht mit den Krümmungsradien r4 und r5 für 2a; r6 und r7 für 2b sowie r8 und r9 für 2c. Fig. 1 shows the basic structure of an eyepiece according to the invention for the number of openings 5 and 80 degrees in diameter of the apparent field of view, the group of collecting lenses 2 here consists of three lenses 2 a, 2 b and 2 c with the radii of curvature r4 and r5 for 2a; r6 and r7 for 2b and r8 and r9 for 2c.

Fig. 2 Spotdiagramm gemäß Ausführungsbeispiel 1 für die Öffnungszahl 5 Fig. 2 spot diagram according to Embodiment 1 of the numerical aperture 5

Fig. 3 Spotdiagramm gemäß Ausführungsbeispiel 1 für die Öffnungszahl 10 Fig. 3 spot diagram according to Embodiment 1 of the numerical aperture 10

Fig. 4 Spotdiagramm gemäß Ausführungsbeispiel 2 für die Öffnungszahl 5 Fig. 4 spot diagram according to Embodiment 2 for opening Number 5

Fig. 5 Spotdiagramm gemäß Ausführungsbeispiel 3 für die Öffnungszahl 5 Fig. 5 spot diagram according to Embodiment 3 for opening Number 5

Fig. 6 Spotdiagramm gemäß Ausführungsbeispiel 4 für die Öffnungszahl 5 Fig. 6 spot diagram according to Embodiment 4 for opening Number 5

Fig. 7 Darstellung der tangentialen und sagittalen Aberrationen und der rechtwinkligen Verzeichnung gemäß Ausführungsbeispiel 1 Fig. 7 showing the tangential and sagittal aberrations and distortion of the rectangular in accordance with Embodiment 1

Fig. 8 Darstellung der tangentialen und sagittalen Aberrationen und der rechtwinkligen Verzeichnung gemäß Ausführungsbeispiel 3 Fig. 8 showing the tangential and sagittal aberrations and distortion of the rectangular in accordance with Embodiment 3

Fig. 9 Darstellung der tangentialen und sagittalen Aberrationen und der rechtwinkligen Verzeichnung gemäß Ausführungsbeispiel 4 Fig. 9 showing the tangential and sagittal aberrations and distortion of the rectangular in accordance with Embodiment 4

Ausführungsbeispiel 1 Embodiment 1

Das Okular weist die Brennweite 25 Millimeter auf und wurde für ein scheinbares Gesichts feld von 60 Grad Durchmesser ausgebildet. Der Abstand der Bildebene vom ersten Linsen scheitel beträgt 14,456 Millimeter. Der Durchmesser des Bildfeldes beträgt 24,216 Millimeter. Fig. 2 zeigt die zugehörigen Spotdiagramme für die Öffnungszahl 5 und für Durchmesser des scheinbaren Gesichtsfeldes von 0, 20, 40 und 60 Grad. Strahlen wurden gerechnet für die Wellenlängen von 486 Nanometer; 588 Nanometer und 656 Nanometer. Der eingezeichnete Kreis symbolisiert jeweils die Airy-Disk für die Wellenlänge 588 Nanometer. Die axiale Abbil dung geschieht klar beugungsbegrenzt. Die maximale Zerstreuung am Rand des Bildfeldes, das dem scheinbaren Gesichtsfeld von 60 Grad Durchmesser zugeordnet ist beträgt 2,3 Bogenmi nuten. Ab der Öffnungszahl 8 wird das gesamte Gesichtsfeld beugungsbegrenzt dargestellt. Wird das Ausführungsbeispiel auf die Brennweite 12,5 Millimeter bei konstanter Öffnungs zahl 5 skaliert, so halbieren sich die Durchmesser der Zerstreuungsscheibchen, während der Durchmesser der Airy-Disk konstant bleibt, so daß das gesamte Gesichtsfeld von 60 Grad Durchmesser beugungsbegrenzt dargestellt wird.The eyepiece has a focal length of 25 millimeters and was designed for an apparent field of view with a diameter of 60 degrees. The distance between the image plane and the first lens vertex is 14.456 millimeters. The diameter of the image field is 24.216 millimeters. Fig. 2 shows the respective spot diagrams for the numerical aperture 5, and for diameters of the apparent field of view of 0, 20, 40 and 60 degrees. Rays were calculated for the wavelengths of 486 nanometers; 588 nanometers and 656 nanometers. The circle drawn symbolizes the Airy disk for the wavelength 588 nanometers. The axial imaging is clearly limited by diffraction. The maximum dispersion at the edge of the image field, which is assigned to the apparent field of view of 60 degrees in diameter, is 2.3 arc minutes. From the number of openings 8 , the entire field of view is displayed with limited diffraction. If the exemplary embodiment is scaled to the focal length 12.5 millimeters with a constant opening number 5 , then the diameter of the diffusing discs is halved, while the diameter of the Airy disk remains constant, so that the entire field of view of 60 degrees in diameter is shown diffraction-limited.

Fig. 3 zeigt die Spotdiagramme für die genannten Wellenlängen und Durchmesser des schein baren Gesichtsfeldes für die Öffnungszahl 10, wie sie beispielsweise in den kommerziell er hältlichen Teleskopen des Schmidt-Cassegrain-Typs auftritt. Die Abbildung ist nun auf dem gesamten Gesichtsfeld beugungsbegrenzt. Die Airy-Disk hat 2 Bogenminuten Durchmesser. Fig. 3 shows the spot diagrams for the mentioned wavelengths and diameters of the apparent field of view for the number of openings 10 , as occurs, for example, in the commercially available telescopes of the Schmidt-Cassegrain type. The image is now diffraction limited across the entire field of view. The Airy-Disk has 2 minutes of arc.

Ausführungsbeispiel 2 Embodiment 2

Das Okular weist die Brennweite 25 Millimeter auf und wurde für ein scheinbares Gesichtsfeld von 80 Grad Durchmesser ausgebildet. Der Abstand der Bildebene vom ersten Linsenscheitel beträgt 14,401 Millimeter. Der Durchmesser des Bildfeldes beträgt 31,645 Millimeter.The eyepiece has a focal length of 25 millimeters and was designed for an apparent field of view 80 degrees in diameter. The distance of the image plane from the first lens apex is 14.401 millimeters. The diameter of the image field is 31.645 millimeters.

Fig. 4 zeigt die zugehörigen Spotdiagramme für die Öffnungszahl S und für Durchmesser des scheinbaren Gesichtsfeldes von 0, 20, 40, 60 und 80 Grad. Strahlen wurden gerechnet für die Wellenlängen von 486 Nanometer; 588 Nanometer und 656 Nanometer. Der eingezeichnete Kreis symbolisiert jeweils die Airy-Disk für die Wellenlänge 588 Nanometer. Das axiale Zerstreuungsscheibchen weist einen Durchmesser von 1,5 Bogenminuten auf. Das axiale Zerstreuungsscheibchen eines 80 Grad Nagler Okulars weist einen Durchmesser von 4 Bogen minuten auf. Das maximale Zerstreuungsscheibchen des Ausführungsbeispiels 2 entsteht am Rand des Gesichtsfeldes und weist einen Durchmesser von 8,3 Bogenminuten auf und ist damit nur halb so groß wie das des 80 Grad Nagler Okulars und mehr als 7-fach kleiner als das des 80 Grad Erfle-Okulars. Fig. 4 shows the respective spot diagrams for the numerical aperture S and diameter of the apparent field of view of 0, 20, 40, 60 and 80 degrees. Rays were calculated for the wavelengths of 486 nanometers; 588 nanometers and 656 nanometers. The circle drawn symbolizes the Airy disk for the wavelength 588 nanometers. The axial scattering disc has a diameter of 1.5 arc minutes. The axial lens of an 80 degree Nagler eyepiece has a diameter of 4 arc minutes. The maximum scattering disc of embodiment 2 arises at the edge of the visual field and has a diameter of 8.3 arc minutes and is therefore only half as large as that of the 80 degree Nagler eyepiece and more than 7 times smaller than that of the 80 degree Erfle eyepiece .

Wird das Ausführungsbeispiel auf eine Brennweite von 16 Millimeter oder darunter skaliert wird es axial beugungsbegrenzt Für die Brennweite von 25 Millimeter wird es ab der Öffnungszahl 8 axial beugungsbegrenzt. If the exemplary embodiment is scaled to a focal length of 16 millimeters or less, it is axially diffraction-limited. For the focal length of 25 millimeters, it is axially diffraction-limited from the number of openings 8 .

Ausführungsbeispiel 3 Embodiment 3

Das Ausführungsbeispiel 3 ist gegenüber Ausführungsbeispiel 2 dadurch abgewandelt, daß der Meniskus 4 nicht mehr mit seinen Radien konzentrisch zum Schnittpunkt von optischer Achse und Austrittspupille liegt, so wie dieser in den Ausführungsbeispielen 1 und 2 gestaltet wurde. Hierdurch wird eine nochmals verbesserte Korrektur des axialen Zerstreuungsscheibchens sowie ein vergrößerter Abstand der Austrittspupille vom letzten Linsenscheitel erreicht. Gleichzeitig wird die Feldkorrektur noch etwas verfeinert.The exemplary embodiment 3 is modified compared to exemplary embodiment 2 in that the radii of the meniscus 4 are no longer concentric with the intersection of the optical axis and exit pupil, as was designed in exemplary embodiments 1 and 2. As a result, a further improvement in the correction of the axial diffusion disk and an increased distance between the exit pupil and the last lens apex are achieved. At the same time, the field correction is refined a little.

Das Okular weist die Brennweite 25 Millimeter auf und wurde für ein scheinbares Gesichtsfeld von 80 Grad Durchmesser ausgebildet. Der Abstand der Bildebene vom ersten Linsenscheitel beträgt 5,761 Millimeter. Der Durchmesser des Bildfeldes beträgt 33,421 Millimeter. Fig. 5 zeigt die zugehörigen Spotdiagramme für die Öffnungszahl 5 und für Durchmesser des scheinbaren Gesichtsfeldes von 0, 20, 40, 60 und 80 Grad. Strahlen wurden gerechnet für die Wellenlängen von 486 Nanometer; 588 Nanometer und 656 Nanometer. Der eingezeichnete Kreis symbolisiert jeweils die Airy-Disk für die Wellenlänge 588 Nanometer. Das axiale Zerstreuungsscheibchen weist einen Durchmesser von unter 1 Bogenminute auf. Damit ist die axiale Abbildung beugungsbegrenzt. Der maximale Durchmesser des Zerstreuungsscheibchens ergibt sich am Rand des Bildfeldes und liegt unter 8 Bogenminuten. Kein bekanntes Okular ist bei gleicher Brennweite und gleichem Durchmesser des scheinbaren Gesichtsfeldes in der Lage eine solche Definition zu liefern. The eyepiece has a focal length of 25 millimeters and was designed for an apparent field of view with a diameter of 80 degrees. The distance of the image plane from the first lens apex is 5.761 millimeters. The diameter of the image field is 33.421 millimeters. FIG. 5 shows the associated spot diagrams for the number of openings 5 and for diameters of the apparent field of view of 0, 20, 40, 60 and 80 degrees. Rays were calculated for the wavelengths of 486 nanometers; 588 nanometers and 656 nanometers. The circle drawn symbolizes the Airy disk for the wavelength 588 nanometers. The axial disc has a diameter of less than 1 minute of arc. The axial imaging is thus limited by diffraction. The maximum diameter of the scattering disc results at the edge of the image field and is less than 8 arc minutes. No known eyepiece is able to provide such a definition with the same focal length and the same diameter of the apparent field of view.

Ausführungsbeispiel 4 Embodiment 4

Das Okular weist die Brennweite 25 Millimeter auf und wurde für ein scheinbares Gesichtsfeld von 100 Grad Durchmesser ausgebildet. Der Abstand der Bildebene vom ersten Linsenscheitel beträgt 7,631 Millimeter. Der Durchmesser des Bildfeldes beträgt 44,19 Millimeter.The eyepiece has a focal length of 25 millimeters and was designed for an apparent field of view of 100 degrees in diameter. The distance of the image plane from the first lens apex is 7.631 millimeters. The diameter of the image field is 44.19 millimeters.

Fig. 5 zeigt die zugehörigen Spotdiagramme für die Öffnungszahl 5 und für Durchmesser des scheinbaren Gesichtsfeldes von 0, 20, 40, 60, 80 und 100 Grad. Strahlen wurden gerechnet für die Wellenlängen von 486 Nanometer; 588 Nanometer und 656 Nanometer. Der eingezeichnete Kreis symbolisiert jeweils die Airy-Disk für die Wellenlänge 588 Nanometer. Das axiale Zerstreuungsscheibchen weist einen Durchmesser von 2,3 Bogenminuten auf. Der maximale Durchmesser des Zerstreuungsscheibchens ergibt sich am Rand des Bildfeldes und liegt bei 10,6 Bogenminuten. Damit ist die Korrektur sowohl auf der Achse als auch auf dem Feld noch besser als die des 80 Grad Nagler Okulars. FIG. 5 shows the associated spot diagrams for the number of openings 5 and for diameters of the apparent field of view of 0, 20, 40, 60, 80 and 100 degrees. Rays were calculated for the wavelengths of 486 nanometers; 588 nanometers and 656 nanometers. The circle drawn symbolizes the Airy disk for the wavelength 588 nanometers. The axial scattering disc has a diameter of 2.3 arc minutes. The maximum diameter of the scattering disc results at the edge of the image field and is 10.6 arc minutes. The correction on the axis as well as on the field is even better than that of the 80 degree Nagler eyepiece.

Die Gläser SF5, SF58, SK16 und LAKN16 sind Gläser des Schott-Kataloges. Hierbei hat:
SF5 die Glaskennzahl 673322
SF58 die Glaskennzahl 918215
SK16 die Glaskennzahl 620603
LAKN16 die Glaskennzahl 734517.The glasses SF5, SF58, SK16 and LAKN16 are glasses from the Schott catalog. Here:
SF5 the glass number 673322
SF58 the glass number 918215
SK16 the glass code 620603
LAKN16 the glass code 734517.

FK03 ist ein Glas des Ohara-Kataloges mit der Brechzahl n_e = 1,439853 und der Abbezahl ν_e = 94,49.FK03 is a glass from the Ohara catalog with a refractive index n _e = 1.439853 and an Abbe number ν _e = 94.49.

Die Krümmungsradien der Linsen sind in Seidelnotation gegeben, wobei das Okular jeweils in Richtung der Lichtbewegung von der Bildebene 0 zur Austrittspupille 5 gesehen wird. Damit erhalten gegen das einfallende Licht konkave Flächen negativen Krümmungsradius und gegen das einfallende Licht konvexe Flächen positiven Krümmungsradius.The radii of curvature of the lenses are given in silk notation, the eyepiece being seen in the direction of the light movement from the image plane 0 to the exit pupil 5 . This gives a concave surface with a negative radius of curvature against the incident light and a positive radius of curvature with the convex surfaces against the incident light.

Zur Berechnung der Abbildungseigenschaften der Okulare in den Ausführungsbeispielen 1, 2 und 3 ist die Lichtrichtung umzukehren und damit die Reihenfolge der Flächen, wobei der Krümmungsradius der jeweiligen Fläche mit -1 zu multiplizieren ist.To calculate the imaging properties of the eyepieces in exemplary embodiments 1, 2 and 3 is to reverse the direction of light and thus the order of the areas, the Multiply the radius of curvature of the respective surface by -1.

Erfindungsgemäße Okulare können bedingt durch ihr geringeres eye-relief das Nagler-Okular im Bereich kürzerer Brennweiten von unter 10 Millimeter nicht ersetzen, sind aber im Bereich größerer Brennweiten für den Einsatz als Superweitwinkel-Okular erste Wahl und eine high-end Alternative für den anspruchsvollen Amateur, wobei erstmals scheinbare Gesichts felder bis zu 100 Grad Durchmesser möglich und mit hoher Qualität ausgezeichnet werden.Eyepieces according to the invention can, due to their lower eye relief, the Nagler eyepiece in the range of shorter focal lengths of less than 10 millimeters do not replace, but are in the range larger focal lengths for use as a super wide-angle eyepiece first choice and one high-end alternative for the discerning amateur, being the first apparent face fields up to 100 degrees in diameter are possible and are awarded high quality.

Claims

1. eyepiece, in which light emanating from an image plane (0) strikes a first meniscus ( 1 ) concave against the incident light, which is designed as a cement group, after which the light strikes a collecting lens group ( 2 ) that from one, two or a maximum of three collecting lenses ( 2 a, 2 b, 2 c) is built, after which the light strikes a collecting putty group ( 3 ), the radius of curvature facing the incident light is convex, after which the light is directed towards one another the incident light strikes the second meniscus ( 4 ), from where it strikes as a bundle of parallel light into the exit pupil ( 5 ), in which the light becomes accessible to the observer's eye.

2. Eyepiece according to claim 1, characterized in that the lenses of the group of collecting lenses ( 2 ) consist of the same optical material.

3. Eyepiece according to claim 1 or 2, characterized in that the radii of curvature of the second meniscus ( 4 ) are concentric with the exit pupil ( 5 ).

4. Eyepiece according to one of claims 1 to 3, characterized in that the first meniscus ( 1 ) consists in the order of the light path from a diffusing lens made of heavy flint and a collecting lens made of fluorite crown.

5. Eyepiece according to one of claims 1 to 4, characterized in that the collecting cement group ( 3 ) consists in the order of the light path from a collecting lens made of fluorite crown and a diverging lens made of heavy flint.

6. Eyepiece according to one of claims 1 to 5, characterized in that the second meniscus ( 4 ) consists of heavy crown or lanthanum crown.

7. Eyepiece according to claim 2, characterized in that the lenses of the group of collecting lenses ( 2 ) consist of fluorite crown.