DE2461111A1

DE2461111A1 - Hochaufloesendes apochromat

Info

Publication number: DE2461111A1
Application number: DE19742461111
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Societe dOptique Precision Electronique et Mecanique SOPELEM SA
Current assignee: Societe dOptique Precision Electronique et Mecanique SOPELEM SA
Priority date: 1973-12-28
Filing date: 1974-12-23
Publication date: 1975-07-03
Also published as: IT1027115B; DE2461111C2; FR2256421A1; NL180047C; NL180047B; FR2256421B1; ES431522A1; NL7415678A; CH583913A5; BE823917A; GB1470199A

Description

Patentanwälte Dipl-Ing. R. BEET Z «en, DlpWng. K. LAMPRECHT

Dr.-Ing. R. B E E T Z Jr. «M0noh*n22, Stelnedorfctr. 1·

310-23.577P(23.578H) 23. 12. 1974

SOCIETE D¹OiPTIQUE

PRECISION ELECTRONIQUE ET MECANIQUE - SOPELEM, Paris (Frankreich )

Hochauflöserides Apochromat

Die Erfindung betrifft ein hochauflösendes Apochromat, also ein Objektiv geringer chromatischer Aberrationen in einem weiten Spektralbereich und hoher-Auflösung, d. h- versehen mit großem Auflösungsvermögen oder großer Schärfeleistung.

Das erfindungsgemäße Apochromat kann für Aufnahmen auf einen Film oder auf eine z. B. Luminanzverstärkungs-Röhre im sichtbaren Bereich, aber auch im nahen Infrarot-Bereich verwendet werden.

310-(73/105)-Me-r (8)

5 09827/0701

Ein herkömmliches Aufnahme-Objektiv ist zunächst bestimmt durch die Brennweite, sein Gesichts- oder Sehfeld, d. h. das von ihm zu überdeckende Format, seine Öffnung oder Apertur. Die Apertur ist nicht nur aus geometrischen, sondern auch aus photometrischen Gründen wichtig , da .von ihr die Leuchtkraft oder Helligkeit des Bildes direkt abhängt. Die Apertur ist bestimmt durch die Öffnungs- oder Aperturzahl bzw. den Blendenwert k = f/D, mit f = Brennweite des Objektivs, D = Durchmesser der Eintrittspupille,· d. h. das Bild der Blende im vorderen Bereich des Objektivs. Üblicherweise wird das Objektiv durch das Verhältnis F/k bezeichnet, das den Durchmesser der Eintrittspupille ausdrückt. Für lichtstarke Objektive ist diese Kenngröße wichtig.

Die Schärfeleistung gibt die durch das Objektiv erkennbare Feinheit von Einzelheiten wieder. Die Schärfeleistung wird mit Hilfe von Testfiguren oder Miren gemessen, die, aus abwechselnd schwarzen und weißen Bändern oder Linien gleicher Größe bestehend, im Unendlichen angeordnet und im Brennpunkt des Objektivs fotografiert werden. Die Trennschärfe ist durch die Anzahl der pro Millimeter erkennbaren Linien ermittelbar.

Es können auch die Objektiv-Bedeckung und der Katzenaugenkoeffizient definiert werden. Katzenaugenkoeffizient an einem Sehfeldpunkt ist das Verhältnis zwischen der an diesem Punkt vom bildbildenden Strahlenbündel beleuchteten Fläche der Pupille und der Gesamtfläche der Pupille.

Das Objektiv muß auch chromatisch abhängig vom zur Aufzeichnung der Aufnahme bzw. des Bildes verwendeten Spektralband korri-

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giert werden. Dies kann durch Korrigieren von Objektiven im sichtbaren Bereich und im nahen Infrarot-Bereich erfolgen.

Es wird dabei der Axialchromatismus unterschieden, der die Unendlichkeit der monochromatischen Bilder bewertet,, die entlang der optischen Achse angeordnet sind.' Ein apochromatisches Objeitiv oder Apochromat ist nämlich im Paraxialbereich erhältlich durch eine geeignete Wahl der jeweils verwendbaren Werkstoffe. Es genügt dann, die Dispersionszahlen der Gläser für das benutzte Spektralband geeignet zu wählen.

Ein Objektiv wird auch gegenüber der sphärischen Aberration korrigiert, die dadurch entsteht, daß die Licht-Strahlen einer bestimmten Strahlung entsprechend ihrer Lage gegenüber der (optischen) Achse verschieden abgelenkt werden. Für eine gleiche Lage gegenüber der Achse oder für eine gleiche Apertur fokussieren die Strahlen verschiedener Strahlungen unterschiedlich. Die Apertur-Aberrationen sind sehr schwer zu korrigieren, wenn die Wellenlänge des Lichts sich von einem Ende zum anderen eines weiten Spektralbandes ändert.

Ein Aufnahmeobjektiv muß auch astigmatisch korrigiert sein. Diese Aberration besteht darin, daß das vom Instrument abgegebene Strahlenbündel sich an zwei getrennten dünnen Flächen dreht, nämlich den zueinander senkrechten Sagittal- und Tangential-Brennflachen. Durch Feldkrümmung oder -wölbung wird ausgedrückt, daß diese Brennflächen zwei Drehflächen beschreiben, die sich von der Idealbildebene unterscheiden, wenn der Gegenstands- oder Objektpunkt eine Gegenstandsebene senkrecht zur Achse beschreibt. Die Korrektur dieser Feld-Aberrationen ist ebenfalls kritisch, wenn die Wellenlänge des

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Lichts sich von einem Ende zum anderen eines großen Spektralbandes ändert.

Konstanz der Aberrationen-Korrektur ist nur dann erreichbar, wenn der Aufbau des Objektivs dies ermöglicht. Eine schlechte Wirkung oder Brechkraft-Verteilung zwischen den verschiedenen Gruppen oder Teilsystemen des Optiksystems kann nicht zu guten Ergebnissen führen, selbst wenn moderne Rechenhilfen verwendet werden, z- B. ein automatisches Optimierungsprogramm.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein einfach zu bestimmendes hochauflösendes Apochromat zu schaffen.

Die Aufgabe wird bei einem hochauflösenden Apochromat der Brennweite F erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß hintereinander vom Gegenstand zur Bildaufzeichnungseinrichtung angeordnet sind:

eine erste Gruppe aus einer im wesentlichen Plankonvex-Sammellinse und aus einer Meniskus-Linse, die nach hinten konkav ist, wobei die positive Brennweite 5 F - 50 F beträgt,

eine zweite Gruppe aus mindestens zwei aneinanderliegenden Linsen, deren erste Fläche konvex und deren letzte Fläche konkav ist, wobei die positive Brennweite 1,3 F - 2,5 F und der Abstand zwischen der ersten Gruppe und der zweiten Gruppe 0,10 F - 0,16 F beträgt,

eine dritte Gruppe aus drei durch geringe Luftabstände getrennten Linsen, deren Außen-Linsen Bikonvex-Sammellinsen sind und deren

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■ - 5 -

Mittellinse eine Bikonkav-Zerstreuungslinse ist, wobei die positive Brennweite 0,8 F - 1,2 F und der Abstand zwischen der zweiten Gruppe und der dritten Gruppe 0,45 F - 0,55 F betragt, und

eine vierte Gruppe aus einer einzigen Meniskus-Zerstreuungslinse, die nach vorne konkav ist, wobei die Brennweite 0,5 F- 0,8 F und der Abstand zwischen der dritten Gruppe und der vierten · Gruppe 0,30 F - 0,40 F beträgt.

Die Erfindung gibt ein Aufnahme-Apochromat oder -Objektiv an, das mit hoher Schärfeleistung versehen und genau chromatisch korrigiert ist für das Spektralband von 0,48 bis 1,1 um, wobei sich vergleichsweise das sichtbare Spektrum von 0,48 bis 0,65 um erstreckt. Das Apochromat weist darüber hinaus eine große Apertur, eine gute Bedeckung, d. h. einen Katzenaugenkoeffizienten nahe Eins am Sehfeldrand auf und ist für Astigmatismus- und Feldwölbungs-Aberrationen korrigiert.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführung sbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. lein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Objektivs ,

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Objektivs,

Fig. 3 für das Objektiv gemäß Fig. 1 Kurven der sphärischen Längs-

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Aberration abhängig von der Höhe des einfallenden Strahls für verschiedene Strahlungen,

Fig. 4 für das Objektiv der Fig. 1 Kurven der Meridionalen und der Außermeridxonalstreuung abhängig von der Höhe des einfallenden Strahls für zwei Feldwinkel,

Fig. 5 für das Objektiv gemäß Fig. 2 Kurven der sphärischen Längs-Aberration abhängig von der Höhe des einfallenden Strahls für verschiedene Strählungen,

Fig. 6 für das Objektiv gemäß Fig. 2 Kurven der meridionalen und der außermeridionalen Streuung abhängig von der Höhe des einfallenden Strahls für zwei Feldwinkel.

Gemäß den Fig. 1 und 2 besteht das erfindungsgemäße Objektiv oder Apochromat aus vier Linsenteilsystemen oder Linsengruppen G 1, G 2, G 3, G 4, die in dieser Reihenfolge in Lichtstrahlrichtung, d. h. vom Gegenstand oder Objekt zur Bildaufzeichnungseinrichtung, angeordnet sind»

Die ersten drei Gruppen Gl, G 2, G 3 haben positive Brechkraft, während die vierte Gruppe G 4 eine negative Brechkraft besitzt.

Die erste Gruppe G 1 besteht aus einer im wesentlichen Plankonvex-Sammellinse 11, deren konvexe Fläche nach vorne zeigt, und aus einer stark meniskusförmigen oder Meniskus-Zerstreuungslinse 12, deren Konkavität nach hinten weist. Die erste Gruppe G 1 ist konver-

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gierend oder sammelnd und die Brennweite daher positiv. Mit der Brennweite F des Gesamt-Apochromats beträgt die Brennweite der ersten Gruppe Gl 5 F bis 50 F.

Die zweite Gruppe G 2 enthält entweder zwei Linsen 21, 22 (Fig. l), die verklebt sind, oder anemanderliegen, oder drei linsen 21, 22, 23 (Fig. 2), die verklebt sind oder anemanderliegen. Die vordere oder erste Fläche R 211 der zweiten Gruppe G 2 ist konvex, und die hintere oder letzte Fläche R222 bzw. R232 ist konkav. Die zweite Gruppe G2 ist sammelnd, und ihre - daher positive Brennweite beträgt 1,3 F bis 2,5 F. Der Abstand D 12 zwischen der ersten Gruppe Gl und der zweiten Gruppe G 2 beträgt 0,10 F - 0,16 F.

Wie bereits erwähnt, enthält die zweite Gruppe G 2 entweder zwei oder drei Linsen 21, 22 bzw. 21, 22, 23. In dem Objektiv, in dem die zweite Gruppe G 2 drei Linsen enthält, sind die Brechkräfte der Linsen stärker als die der Linsen des Objektivs, bei der die zweite Gruppe G.2 zwei Linsen enthält, denn es werden Gläser verwendet, deren Streuungen ähnlicher sind und die weniger teuer sind.

Die dritte Gruppe G 3 enthält drei Linsen 31, 32, 33, die durch geringe Luftabstände voneinander getrennt sind. Die äußeren Linsen 31, 33 sind sammelnd und bikonvex, während die mittlere linse 32 divergent oder zerstreuend und bikonkav ist. Die dritte Gruppe G3 ist sammelnd, und die - daher positive - Brennweite beträgt 0,8 F bis 1,2 F- Der Abstand D 23 zwischen der zweiten Gruppe G 2 und der dritten Gruppe G 3 beträgt 0,45 F - 0,55 F.

Die vierte Gruppe G 4 besteht aus einer einzigen Meniskus-Zer-

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Streuungslinse 4, deren konkave Seite in Vorwärtsrichtung des Objektivs oder nach vorne weist. Die daher negative Brennweite dieser Linse 4 beträgt -0,5 F bis -0,8 F. Der Abstand D 34 zwischen der dritten Gruppe G 3 und der vierten Gruppe G 4 beträgt 0,30 F - 0,40 F.

Das erfindungsgemäße Objektiv oder Apochromat kann ein Geradsystem (Fig. l) bilden. Es kann auch ein Krümmungs- oder Umlenksystem (Fig. 2) mittels einer zwischen der zweiten Gruppe G 2 und der dritten Gruppe G 3 angeordneten Reflexionseinrichtung bilden, z. B. einem Prisma 5 bei dem in Fig. 2 dargestellten Apochromat. Die Abstandssumme der Abstände D 25 und D 53 beträgt wie der Abstand D 23 des Geradsystems 0,30 F - 0,40 F.

Die Kenngrößen des Objektivs, d. h. die Brechkräfte, die Abmessungen der Linsen, die Glasarten, die Abstände, können danach mittels Berechnungen durch den Fachmann oder mittels automatischer Berechnung erhalten werden.

In den beigefügten Tabellen I und II sind als Beispiele Kennwerte oder Kenngrößen zweier er findung s gemäß er Apochromate wiedergegeben.

Jede Tabelle gibt an den Krümmungsradius der Linsen, die Dicke der Linsen, die Glas-Brechzahlen, die die Linsen für verschiedene Strahlungen innerhalb des sichtbaren Spektrums und des nahen Infrarots besitzen, das Dispersionsvermögen der Gläser, die Luftzwischenräume oder -abstände zwischen den Gläsern und den Linsengruppen.

Üblicherweise haben alle zum einfallenden Licht weisenden kon-

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kaven Flächen negativen und alle zum einfallenden Licht weisenden konvexen Flächen positiven Krümmungsradius.

Die Tabelle I entspricht einem Apochromat der Brennweite 100 mm und der Relativapertur F/1,5, das den in Fig. 1 dargestellten Aufbau besitzt. Das Objektiv ist einem Glas 6 mit parallelen Flachen zugeordnet, das dem Schutz der Röhre dient. Die Fig. 3, die dem durch die Tabelle I und die Fig. 1 bestimmten Objektiv zugeordnet ist, hat als Abszisse die sphärische Längs-Aberration abhängig von der Höhe h eines parallel zur optischen Achse einfallenden Strahls. Die Fig. 3 zeigt gleichzeitig Kurven sphärischer Aberrationen I, II, III, IV, V, die jeweils Strahlen der Strahlungen F (0,4861 um), d (0,5876 um), C (0,6563 um), U (0,852 ^m) bzw. s (l,014^um) entsprechen. Die Punkte F, d. C, U und s an der Abszisse bezeichnen die jeweiligen Lagen der monochromatischen Bilder auf der optischen Achse für die Strahlungen F, d, C, U und s, was dem A xialchrom atism us entspricht. Die Lage auf der optischen Achse des Brennpunkts eines Strahls der gewählten, in der Höhe h befindlichen Strahlung und des Brennpunkts eines Strahls des Paraxialbereichs (h = 0) der gleichen Strahlung, die durch einen der Punkte F, d, usw. in der Fig. 3 dargestellt ist, ist bestimmbar, was die Bestimmung des die sphärische Aberration wiedergebenden Abstandes erlaubt, die ja für monochromatisches licht definiert ist. -

Die Fig. 4a und 4b zeigen ander Abszisse die Höhe h gegenüber der optischen Achse eines Strahlenbündels parallel zur Strahlung C. Die Kurven I ergeben an der Ordinate, abhängig von der Höhe h, die Meridional-Streuung £y, d. h. die Bahn in der Meridionalebene

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des konvergenten Bündels auf der Brennebene gegenüber der Bahn des Mittelstrahls. Die Kurven II ergeben an der Ordinate, abhängig von der Höhe h, die Extra- oder Außermeridional-Streuung S z, d. h. die Bahn des Strahlenbündels entlang der Außermeridionaleben e. Die Kurven II sind symmetrisch, weshalb in den Fig. 4a, 4b lediglich deren rechter Teil dargestellt ist. Aus den Fig. 4a, 4b ist die Bedeutung der Feldwölbung und des Astigmatismus entnehmbar. Die Fig. 4a und 4b ergeben die oben erläuterten Streuungen, und zwar für ein Halbfeld von 3°24' bzw. ein Halbfeld von 2°24'.

Die Tabelle II entspricht einem Apochromat ebenfalls der Brennweite 100 mm und der Relativapertur F/1,5, jedoch mit dem Aufbau gemäß Fig. 2.

Die Fig. 5 zeigt für das in der Tabelle II und der Fig. 2 angegebene Objektiv die Kurven I, II, III, IV, V, die jeweils die sphärische Längs-Aberration der Strahlen F, d, C, U, s abhängig von der Höhe h des einfallenden Strahls gegenüber der'optischen Achse definieren.

Die Fig. 6 a und 6 b geben wieder für das durch die Tabelle II und die Fig. 2 bestimmte Objektiv die Meridional-Streuung (Kurven I) und die Außermeridional-Streuung (Kurven II) für Halbfelder von 3 12' bzw. 2 15', abhängig von der Höhe h des einfallenden Strahlenbündels , an.

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Tabelle I

Br echzahlen _. : Disper-

Krummungs- _τ. ... _τ ., , , , F d C U s sionsver-

Lmsen ,. Linsendicke Luftabstand » __o_, * ,-,-^ ϊ _O1ro « ι ni„ *

radien . 4861 A 5876 A 6563 A 852 A l,0l4 A mögen

R=+ 82,690

R = + 616 033 ^eii ^{= 8}'⁴⁹¹ · 1,60991 1,60333 1,60045 1,59542 1,59288 63,77

J. Xu _ _

on σ	^D12	12	^R121	= +	78,209
CD CD
			^R122		42,747
O		21	^R211	= +	62,553
O
—*	^R212	= -	83,365

e = 3,344 1,623709 1,61399 1,609801 1,602424 1,598540 44,15

D₁₂ = 14,263
e . = 14J943 1,60991 1,60333 1,60045 1,59542 1,59288 63,77

d = 0,005

F₂₂₁=- 83,365

e = 3,098 1,66418 1,65265 1,64775 1,63928 1,63497 39,72

P₂₂₂ =+ 198,100

^D23 H₃₁₁ = ₊ 183,499 D^ -.48,564

e = 4,891 1,61025 1,60365 1,60077 1,59572 1,59318 63,671"

R₃₁₂=- 77,322 d₃₁- 0,096 ξ

= - 129,408 ™»

^R322^{=+ 82}'⁸⁸³

Tabelle I (Fortsetzung)

^G3 ^{32 e}32 ^{= a}'⁴¹⁷ 1,623438 1,613730 1,609545 1,602176 1,598296 44,18

d₃₂= 0,275

1,61025 1,60365 1,60077 1,59572 1,59318 63,67 D₃₄ = 33,283

1,52236 1,51680 1,51431 1,50982 1,50733 64,2

^e6 " °'⁷²³ 1,52236 1,51680 1,51431 1,50982 1,50733 64,2

OT O	^D34	33	^R331 -	+ 97,580	^e3c	- 113,964	^e4	j = 4,269
CO
OD	^G4			22,429
ro		^R332 ⁼
*·«·»** O			= 1,200
O		^R41⁼-
	4

R₄₂ =- 60,864

= 00

^K62⁼ "

Tabelle II

Brechzahlen Disper-

Krummungs- L_insendicke Luftabstand _F d C U s sionsver.·

Linsen radien4861 Ä 5876 A 6563 A 852 1 ' 1,014 & mögen

1,61562 1,60847 1,60535 1,59983 1,59696 59,25

	G	1	11	^E112	= +	84	,850	^eii ⁼	8	,569	d " 0,222
		j.		X ICd				>
				^R121	= +	465	,231
	D	12									D₁₂ » 14,2'
ο co			12	^R122	= +	66	,597	^ei2 ⁼	3	,330
CD
7/070			= +	44	,139

1,623438 1,61373 1,609545 1,602179 1,598296 44,18

21	^R2U ^R212	= +	73 114	,148 ,731	^e21 ⁼	11	,899
	^R221	= _	114	,731
2 ²²	^R222	= +	48	,263	^e22 ⁼	2	,375
	R._ .	= +	48	,263

23

1,61562 1,60847 1,60535 1,59983 " 1,59696 59,25 1,622582 1,61290 1,608729 1,601383 1,597512 44,24

231

. e = 6,172 1,61562 1,60847 1,60535 1,59983 1,59696 .59,25™»

Tabelle II (Fortsetzung)

^D25 D₂₅ = 22,378

O

31

^Ε53
^R311

= oo
= + 156

,965

^(e5

= 42,
^{= e}51

802
^{+ e}52>

,443

^d32 ⁼

,724

0

,444

5 0 9 8 2 7)

^D53

^R312

= - 48

,263

^e31

= 4

^D53 =
,280

ο

.0,

084

O

^R321

= - 50

,314

^d31 ⁼

32

^R322

= + 43

,251

^e32

= 1

o,

266

^R331

= H- 47

,620

33

⁴33

— 4

1,63207 1,62 1,61499 1,60665 1,60275 36,3

1,61562 1,60847 1,60535. 1,59983 1,59696 59,

1,623709 1,61399 1,609801 1,602427 1,59864 44,15 1,61562 1,60847 1,60535 1,59983 1,59696 59,25

cn ο co CG K)

O O

Tabelle II (Fortsetzung)

D₃₄ D₃₄= 38,096

R₄₁ =- 21,670 G₄ 4 e₄ =0,88 1,70556 1,69692 1,69320 . 1,68637· 1,68279 56,38

R₄₂ =- 43,513

cn 1

K)

Claims

eine erste Gruppe (Gl) aus einer im wesentlichen Plankonvex-Sammellinse (ll) und aus einer Meniskus-Linse (12), die nach hinten konkav ist, wobei die positive Brennweite 5 F - 50 F beträgt,
eine zweite Gruppe (G 2) aus mindestens zwei aneinander liegenden Linsen (21, 22; 21, 22, 23), deren erste Fläche (R211) konvex und deren letzte Fläche (R222; R232) konkav ist, wobei die positive Brennweite 1,3 F - 2,5 F und der Abstand (D 12) zwischen der ersten Gruppe (Gl) und der zweiten Gruppe (G 2) 0,10 F - 0,16 F beträgt,
eine dritte Gruppe (G 3) aus drei durch geringe Luftabstände getrennten Linsen (31, 32, 33), deren Außen-Linsen (31, 33) Bikonvex-Sammellinsen sind und deren Mittellinse (32) eine Bikonkav-Zerstreuungslinse ist, wobei die positive Brennweite 0,8 F - 1,2 F und der Abstand (D 23; D 25, D 53) zwischen der zweiten Gruppe (G 2) und der dritten Gruppe (G3) 0,45 F - 0,55 F beträgt, und
eine vierte Gruppe (G 4) aus einer einzigen Meniskus-Zerstreuungslinse (4), die nach vorne konkav ist, wobei die Brennweite 0,5 F bis 0,8 F und der Abstand (D 34) zwischen der dritten Gruppe (G 3) und der vierten Gruppe (G4) 0,30 F - 0,40 F beträgt.
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