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Optische Einrichtung mit einem Konkavspiegel und mit einem Korrekturteil
Die Erfindung betrifft optische Einrichtungen mit einem Konkavspiegel und mit einem
Korrekturteil, welch letzteres eine in bestimmtem Abstand vom Spiegel und auf gemeinsamer
Achse mit diesem Spiegel angeordnete plankonvexe Linse aufweist, wobei die konvexe
flache dieser
Linse sphärisch geformt ist und konzentrisch bzw.
konvex zur Spiegeifläche angeordnet ist, während die ebene fläche dieser Linse senkrecht
zu der gemeinsamen Achse angeordnet ist. Die Erfindung betrifft insbesondere-optische
Einrichtungen, welche in Kopiergeräten verwendet werden.
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Bei jedem sphärischen Spiegel wird der Krümmungsmittelpunkt bei Einheitsvergrößerung
mit vollkommener Korrektur sphärischer Abberrationen und Sinusbedingungen in sich
selbst abgebildet. Darüberhinaus wird bei einer durch den Krümmungsmittelpunkt des
Spiegels verlaufenden Gegenstandsebene das Gauss'sche Bild eines tlächenbereiches
in der Gegenstandsebene zu einer Bildebene, welche mit der Gegenstandsebene zwar
zusammenfällt, jedoch mit Bezug auf die Gegenstandsebene seitenverkehrt liegt. Wenn
weiterhin angenommen wird, daß sich auf der Oberfläche des Spiegels eine Blende
befindet, so ist wegen der Symmetrie die Abbildung frei von Asymmetriefehlern bzw.
Verzerrungen.
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Ein einfacher Spiegel kann aber nicht zum richtigen Kopieren bzw.
Abbilden eines ebenen Gegenstandes verwendet werden, weil, obgleich die sagittale
Abbildung eines außerhalb der optischen Achse liegenden Gegenstandspunktes.in jeder
Richtung gleich Null ist, die Krümmung der Tangentialebene bzw. des tangentialen
Sichtfeldes vorhanden ist.
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Die Krümmung des Tangentialfeldes kann jedoch durch Verwendung einer
Kombination mehrerer Linsen korrigiert werden.
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In der britischen Patentschrift Nr. 1 095 078 ist eine optische Einrichtung
beschrieben, bei welcher die durch die Tangentialfeldkrümmung hervorgerufene Aberration
in der Abbildung eines sphärischen Spiegels korrigiert ist.
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Bei dieser Einrichtung werden eine halbkugelige Linse und eine konvexkonkave
Linse, welch letztere die Gestalt einer Kugelschale aufweist, verwendet, deren sämtliche
Krümmungsmittelpunkte mit dem Krümmungsmittelpunkt des Spiegels zusammenfallen.
Der Brechungsindex und die Dispersion des Materiales der konvexkonkaven Linse sind
jeweils größer als bei der halbkugeligen bzw.
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plankonvexen Linse.
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Bei dieser bekannten optischen Einrichtung ist jedoch das wirksame
Sichtfeld auf die Hälfte des nominellen Sichtfeldes vermindert, weil die Gegenstandsebene
und die Bildebene zusammenfallen. Wenn demzufolge der Gegenstand und das Bild sich
nicht überlagern sollen, muß eine Hälfte der flache der Gegenstands-Bildebene für
den außerhalb der optischen Achse liegenden Gegenstand
und die andere
Hälfte für das Bild verwendet werden Bei einer Ausüfhrungsform der in der britischen
Patentschrift Nr. 1 095 078 beschriebenen optischen Einrichtung wird die Gegenstandsebene
von der Bildebene dadurch getrent, daß ein bzw. mehrere Spiegel mit Bezug auf die
optische Achse der Einrichtung unter 45° angeordnet sind.
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Jedoch auch bei dieser Anordnung sind die nutzbaren Sichtfelder jeweils
nur halb sp groß wie die Fläche des nominellen Sichtfeldes der optischen Einrichtung.
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Bei der Verwendung derartiger optischer Einrichtungen in Kopiergeräten
wird verlangt, daß das nutzbare Sichtfeld so groß wie möglich ist. Aus diesem Grund
ist die in der genannten britischen Patentschrift beschriebene optische Einrichtung
für eine Verwendung in Kopiergeräten nicht völlig geeignet.
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Durch die Erfindung sol die Aufgabe gelöst werden, eine optische
Einrichtung derart auszulegen, daß deren nutzbares Sichtfeld so groß wie möglich
ist, so daß diese optische einrichtung in Verbindung mit dem Abbilden bzw.
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kopieren eines ebenen Gegenstandes verwendet werden kann.
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Im Sinne der Lösung dieser Aufgabe beinhaltet die
Erfindung
eine optische Einrichtung mit einem Konkavspiegel und mit einem Korrekturteil, welch
letzteres eine in bestimmtem Abstand vom Spiegel und auf gemeinsamer Achse mit diesem
Spiegel angeordnete, plankonvexe Linse aufweist, wobei die konvexe rläche dieser
Linse sphärisch geformt ist und konzentrisch bzw. konvex zur Spiegelfläche angeordnet
ist, während die ebene fläche dieser Linse senkrecht zu der gemeinsamen Achse angeordnet
ist.
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Gemäß der Erfindung ist eine derartige Einrichtung dadurch gekennzeichnet,
daß ein optisch symmetrischer Raum derart mit einer strahlaufpsaltenden fläche versehen
ist, daß diese sich im wesentlichen über das gesamte Sichtfeld der optischen Einrichtung
erstreckt und damit eine von der Gegenstandsebene der optischen Einrichtung getrennte
Bildebene erzeugt, wobei die Sichtfeldfläche dieser beiden Ebenen im wesentlichen
jeweils so groß ist wie die nominelle Sichtfeldfläche der optischen Einrichtung.
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Vorzugsweise ist die strahlaufspaltende fläche zwischen zwei 450-Prismen
angeordnet und befindet sich auf der Diagonalfläche eines der beiden Prismen, welch
letzte&e derart miteinander verbunden sind, daß sich ihre Diagonalflächen berühren.
Die beiden Prismen haben jeweils den gleichen Brechungsindex. Bei einer anderen
Ausführungsform
befindet sich die strahlaufspaltende bzw. halbreflektierende fläche innerhalb der
plankonvexen Linse.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung weist die optische Einrichtung
eine konvexkonkave Linse mit sphärischen flächen auf, welche aus einem Material
besteht, das einen höheren Brechungsindex und eine größere Dispersion als die plankonvexe
Linse aufweist, so daß chromatische Abweichungen in der Betzval'schen Sichtfeldkrümmung
der optischen Einrichtung korrigiert werden.
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Außerdem ist die konvexkonkave Linse zwischen dem Spiegel und der
plankonvexen Linse angeordnet und ihre Krümmungsmittelpunkte fallen mit dem Krümmungsmittelpunkt
des Spiegels zusammen. Ein besonderer Vorteil der Anordnung besteht darin, daß die
konvexkonkave Linse an der konvexen fläche der plankonvexen Linse befestigt ist.
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Im folgenden werden einige bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
anhand der beigefügten Zeichnunngen beschrieben, in welchen die rig. 1 bis 5 jeweils
Ausführungsformen optischer Einrichtungen nach der Erfindung darstellen.
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In rig. 1 sind ein Konkavspiegel 11 mit einem Krümmung
mittelpunkt
12 und eine Gegenstandsebene 13 dargestellt, welche durch den Krümmungsmittelpunkt
12 hindurchgeht und am Schnittpunkt mit der optischen Achse des Spiegels 11 einen
arialen Gegenstandspunkt bildet. Eine plankonvexe Linse 14, deren konvexe Fläche
15 sphärisch geformt ist, ist derart angeordnet, daß die konvexe Fläche 15 konzentrisch
zu den Spiegel 11 liegt.
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An der Planfläche 16 der plankonvexen Linse 14 ist ein Strahlaufspalter
17 angebracht, welcher das Ton dem Spiegel 11 zurückkehrende Licht reflektiert und
eine patallel zu der optischen Achse der Einrichtung und senkrecht zu der Gegenstansebene
13 liegende Bildebene 18 erzeugt.
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Der Strahlaufspalter 17 weist eine halbreflektirrende Fläche 19 auf,
welche auf einer der Diagonalflächen zweier 45°-Prismen 20 bzw. 20' angebracht worden
ist, bevor diese miteinander verbunden worden sind. Das die halbreflektierende Fläche
15 tragende Prisma 20 ist so groß ausegebildet daß die halbreflektierende Fläche
20 sich über das gesamte Sichtfeld der plankonvexen Linse 14 erstreckt. Die Prismen
20 und 20' weisen jeweils den gleichen Brechungsindex auf, so daß die halbreflektierende
Fläche 13. sich' in einem optisch
symmetrischen Raum befindet und
sich damit keine zu der optischen Achse nichtrotationssymmetrischen Aberrationen
ergeben, welche in den übrigen Teilen der optischen Einrichtung nicht mehr korrigiert
werden könnten. Die erfindungsgemäße optische Einrichtung ist rotationssymmetrisch
im Gegensatz zu einer herkömmlichen optischen Einrichtung, bei welcher als Strahlaufspalter
eine planparallele Platte verwendet wird und bei welcher sich bei Verwendung konvergenten
Lichtes rotationsasymmetrische Aberrationen ergeben. Der erfindungsgemäße Strahlaufspalter
17 beeinflußt darüberhinaus nicht die Telezentrizität der optischen Einrichtung.
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Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist die konvexe fläche
15 an dem Prisma 20' ausgebildet-, so daß der Strahlaufspalter 17 und die plankonvexe
Linse 14 ein gemeinsames Teil bilden.
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Es ist bekannt, daß bei jeder brechenden bzw. reflektierenden fläche,
deren Mittelpunkt mit einem axialen Gegenstandpunkt zusammenfällt, der Astigmatismuskoeffizient
S III erster Ordnung entgegengesetzt gleich der Petzval'schen Summe ist. rür eine
konvexe Brechungsfläche mit der Krümmung C und dem Brechungsindex n ergibt sich
die Petzval'sche Summe +(C/n).(n-1). Die plankonvexe Linse 14 und der Strahlaufspalter
17
sind deshalb derart ausgebildet, daß die Gegenstandsebene 13 des Spiegels 11 mit
der Endfläche des Strahlaufspalters 17 zusammenfällt und daß die konvexe fläche
15 eine Krümmung C1 aufweist. ?ür einen die plankonvexe Linse 14 zweimal durchquerenden
Lichtstrahl, d.h.
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von der Gegens tands ebene 13 zum Spiegel 11 und wieder zurück zur
Bildebene 18, ergibt sich damit folgende Petzval'sche Summe: 2#C1#(n-1)#(1/n), wobei
n der Brechungsindex der plankonvexen Linse 14 ist. Wenn der Spiegel 11 eine Krümmung
Cm aufweist, so ist seine Petzval'sche Summe gleich 2.Cm. Die Petzval'sche Summe
der gesamten optischen Einrichtung und damit deren Tangentialfeldkrümmung erster
Ordnung vermindert sich auf Null, wenn C1 = Cm - n/(n-l) ist.
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Im allgemeinen ist für ein optisches System, welches zusätzlich zu
dem Spiegel 11 j rlächen aufweist, die Pentzcal'sche Summe durch folgende Gleichung
gegeben:
wobei Ci die Krümmung der i-ten fläche und A(l/n)i die Xnderung des reziproken Wertes
des Brechungsindexes beim
Durchqueren der i-ten rläche ist. Durch
geeignete Wahl der Materialien und der relativen Krümmungen ist der Wert der Petzval'schen
Summe derart auf einen Wert zwischen t 0,05 Cm eingestellt, daß die Betzval'sche
reldkrümmung korrigiert ist.
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Bei jedem monozentrischen System von Brechungs- bzw.
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Reflexionsflächen ist die Betzval'sche 1?eldkruminung gleich der Vergößerungskraft.
Das aus dem Spiegel 11 der plankonvexen Linse 14 und dem Strahlaufspalter 17 bestehende
monozentrische System muß deshalb dann eine Vergrößerungskraft gleich Null haben,
wenn die Betzval'sche Summe gleich Null ist. In diesem volle wirkt das monozentrische
System wie ein Fernrohr mit Einheitsvergrößerungskraft und bei Anwendung der Gauss'schen
Näherung verlaufen die von einem außerhalb der optischen Achse gelegenen Gegenstandspunkt
aus durch die Mitte einer Blende 11' auf dem Spiegel 11 hindurchgeleiteten Hauptstrahlen
bei der Rückkehr zu der halbreflektierenden fläche 18 parallel zur optischen Achse,
d.h. in diesem rall ist das System telezentrisch.
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Die erfindungsgemäße optische Einrichtung ist in bezug auf sphärische
Aberration und chromatische Aberration jeder Ordnung auf der optischen Achse und
außerdem in
bezug auf Sinusbedingungen, sagittal Feldkrümmung,
Asymmetriefehler, Verzerrung und chromatische Vergrößerungsunterschiede vollkommen
korrigiert. Es sind jedoch noch zwei relativ bedeutende Aberrationen vorhanden,
welche nicht korrigiert sind. Das ist zum einen die chromatische Differenz der Betzval'schen
eldkrdmmung, welche sich aus der Änderung des Wertes des Ausdruckes Cl. (n-1) in
bezug auf n die Wellenlänge des durch die optische Einrichtung hindurchgeleiteten
Lichtes ergibt und zum anderen die tangentiale Feldkrümmung höherer Ordnung. Die
chromatische Differenz der ?etzval'schen reldkrümmung wird für zwei Wellenlängen
dadurch korrigiert, daß an der mit ihrer Mitte in dem axialen Gegenstandspunkt der
Gegenstands ebene 13 liegenden einzelnen Linse 14 eine konvexkonkave Linse 21 befestigt
wird, deren beide flächen 22 und 23 gemäß der Darstellung in rig. 2 konzentrisch
zu der Linse 14 bzw. zu dem Spiegel 11 liegen. Die konvexkonkave Linse 21 besteht
aus einem Material, welches eine größere Dispersion aufweist als dasjenige der plankonvexen
Linse 14.
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Wenn das Material der konvexkonkaven Linse 21 zusätzlich zu deren
größeren Dispersion auch einen höheren durchschnittlichen Brechungsindex als dasjenige
der plankonvexen Linse 14 aufweist, dann haben die höheren Ordnungen der
tangentialen
eldkrümmung an der Luft/Glasfläche 23 bzw.
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an den miteinander verbundenen rlächen 22 und 15 entgegengesetzte
Vorzeichen. Durch geeignete Wahl der Linsen-Parameter bzw. der Parameter der optischen
Einrichtung wird in hohem Grade eine Korrektur dieser Aberrationen erreicht.
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Die konvexkonkave Linse 21 muß nicht an der plankonvexen Linse 14
befestigt sein, jedoch ist es vorteilhaft, wenn sie daran befestigt ist.
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Bei der beschriebenen optischen Einrichtung fallen jeweils die Gegenstands-
bzw. Bildebene mit den entsprechenden flächen der den Strahlaufspalter 17 bildenden
Prismen 20 bzw. 20' zusammen. Häufig ist es jedoch günstiger, wenn die Gegenstandsebene
und die Bildebene von den flächen des Strahlaufspalters 17 getrennt sind.
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Wenn gemäß der Darstellung in rig. 3 die jeweiligen rlächen des Strahlaufspalters
17 näher zu dem Spiegel 11 hin verschoben sind, so daß sich planparallele Luftspalte
30 bzw. 30' jeweils zwischen der Gegenstandsebene und der Bildebene und deren jeweils
entsprechenden flächen der Prismen 20 bzw. 20' ergeben, so weist die optische Einrichtung
noch immer Einheitsvergrößerung auf und die optische Einrichtung bzw. das optische
System, welches ursprünglich telezentrisch war, bleibt auch bei Einführung dieser
planparallelen Luftspalte 30 bzw. 30' telezentrisch. Durch
die
Einführung der Luftspalte 30 bzw. 30' ergeben sich Jedoch sphärische Aberrationen
bzw. primäre chromatische Aberrationen, wobei die Aberrationen erster Ordnung Jeweils
durch zu den entsprechenden flächen der Prismen 20 bzw. 20' hinzugefügte planparallele
Platten 31 bzw. 31t korrigiert sind. Der Brechungsindex des Materiales der planparallelen
Platten 31 bzw. 31' ist dabei größer als derjenige der plankonvexen Linse i4 und
des Strahlaufspalters 17. Die relativen Dispersionen der beiden Materialien sind
ebenfalls in geeigneter Weise gewält. Die Flächen der Platten 31 bzw. 31' ligen
im telezentrischen Bereich und rufen deshalb keine schrägen Aberrationen hervor.
Da außerdem nur jeweils kleine Luftspalte 30 bsSNX 30 wischen der Gegenstandsebene
13 bzw. der Bildebene lB und den in der Nähe liegenden ebenen Glasflächen benötigt
werden, sind die sich aus dieser Anordnung ergebenden sphärischen Aberrationen höherer
Ordnung sehr gering. Auf diese Weise ergibt sich eine stark korrigierte Einheitsvergrößerungseinrichtung
mit relativ großer Apertur bzw. Sichtfeldgröße.
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Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung übernimmt durch
geeignete Wahl des Brechungsindex 'des Strahlaufspalters 17 mit Bezug auf die plankonvexe
Linse 14
der Strahlaufspalter 17 zusätzlich zu seiner punktion
der Trennung der Gegenstandsebene 13 und der Bildebene 18 auch die Korrekturfunktion
der Luftspalte 30 bzw. 301.
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Als Beispiel sind in der folgenden Tabelle die Werte der Parameter
einer optischen Einrichtung angegeben, bei welcher der Strahlaufspalter 17 in oben
beschriebener Weise arbeitet: Numerische Apertur am Gegenstand und am Bild = 0,35,
korrigiert für ein reld mit einem Durchmesser von 35,6 mm über einen Spektralbereich
von F (486 nm) bis h (405 nm) Radius Axialer Brechungsindex Dispersion lichter Abstand
für (Sn) Durchmesser g-Licht (436 nm) F - h [mm] [mm] [mm] 525 Spiegel 219,5 330
1 (Luft) O 194,8 117 101 1,76161 0,02850 94 72,7 10,16 1,67256 0,01145 71,6 83,8
1,68328 0,01162 35,8 0,33 1 (Luft) bis zur Brennebene
In einigen
fällen ist es günstig, wenn die Gegenstands: ebene und die Bildebene mit einer planparallelen
Platte zusammenfallen gegen welch letztere ein zu kopierender Gegenstand bzw. ein
lichtempfindliches Material flach angepreßt ist. Das erreicht man durch eine einfache
Abwandlung der erfindungsgemäßen Einrichtung, bei welcher sich jeweils ein Luftspalt
zwischen der optischen Einrichtung und der Gegenstandsebene bzw Bildebene befindet.
Die Aberrations= wirkung eines planparallen, senkrecht zur optischen Achse angeordneten
Luftspaltes ist unabhängig von dessen Ort zwischen der Gegenstands- bzw. Bildebene
und der nächstfolgenden optischen fläche zwischen dem Luftspalt und dem Konkavspiegel
11. Hieraus folgt, daß die Aberration der optischen Einrichtung unverändert bleibt
5 wenn die planparallelen Glasplatten 31 bzw. 31 jeweils so lange verschoben werden5
bis ihre jeweils der Gegenstandsebene 13 bzw. Bildebene 18 näher gelegenen rlächen
32 bzw. 32' mit der Gegenstandsebene 13 bzw. der Bildebene 18 zusammenfallen (vergl.
Darstellung in rig. 4). Die Luftspalte werden auf diese Weise jeweils in das Glas
des Strahlaufspalters 17 hineinbewegt.
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Diese Anordnung ist besonders dann günstig, wenn die optische Einrichtung
bei der Herstellung von Mikroschaltkreisen verwendet wird, bei welchen entweder
der zu kopierende Gegenstand oder deren das Bild aufnehmende
Teil
im allgemeinen rauh sind und die Teile der optischen Einrichtung durch "Schmirgelnl'
beschädigen, da dann die Platten 31 und 31' bei Beschädigung schnell ausgewechselt
werden können.
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In rig. 5 ist eine Ausrührungsform der erfindungsgemäßen optischen
Einrichtung dargestellt, welche ein Vergrößerungsverhältnis von etwa 1,5 : 1 aufweist.
Der Strahlaufspalter 17 ist dabei zwischen der plankonvexen Lins e 14 und dem Spiegel
11 angeordnet und nicht an der ebene.otläche der plankonvexen Linse 14 befestigt.
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Bei dieser Ausführungsform muß deshalb der Strahlaufspalter 17 beträchtlich
größer sein als bei den vorher beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung. Die
konvexkonkave Linse zur Korrektur der Differenz der Petzval'schen Summe mit Bezug
auf die Wellenlängen ist durch zwei monozentrische konvexkonkave Linsen ersetzt,
von welchen die mit 51 bezeichnete an der plankonvexen Linse 14 befestigt ist, während
die andere durch den Strahlaufspalter 17, eine plankonkave Linse 52 und eine plankonvexe
Linse 53 gebildet wird, welche alle den gleichen Brechungsindex aufweisen.
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Obgleich aus Herstellungsgründen die Linsen 52 und 53 jeweils einzeln
an dem Strahlaufspalter 17 befestigt sind, können sie selbstverständlich auch jeweils
mit den, den Strahlaufspalter 17 bildenden Prismen 20 bzw. 20' ein gemeinsames
Teil
bilden, indem die gekrümmten Flachen auf den entsprechenden Flächen der Prismen
20 bzw. 20' ausgebildet werden.
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Die Linse 53 berührt den Spiegel 11, welcher auch auf deren konvexer
Fläche 54 ausgebildet sein kann, Die Linse 52 ist doppelt vorhanden, d.h. die eine
Linse 52 dient zur Reflexion für die andere Linse in der halbreflektierenden Fläche
19. Die gesamte optische Einrichtung ist in diesem Fall optisch monozentrisch und
weist eine Vergrößerung auf, welche gleich dem Brechungsindex der plankonvexen Linse
14 ist Eine Korrektur der in der optischen Einrichtung auftretenden chromatischen
Vergrößerungsdifferenz wird durch das Einfügen einer afokalen Doppellinse 55 herbeigeführt,
welch letztere sich in dem die plankonvexe Linse nicht enthaltenden Teil der optischen
Einrichtung befindet, sowie durch Einfügen einer weiteren gekrümmten Fläche 56 in
die plankonvexe Linse 14. Diese Korrekturlinsen baw. -flächen dienen außerdem zur
Korrektur des Luftspaltes zwischen der plankonvexen Linse 14 und ihrer angrenzendens
zugeordneten Ebene 13.