DE3033509A1

DE3033509A1 - Monozentrisches optisches system

Info

Publication number: DE3033509A1
Application number: DE19803033509
Authority: DE
Inventors: David R Shafer
Original assignee: Perkin Elmer Corp
Current assignee: Applied Biosystems Inc
Priority date: 1979-10-09
Filing date: 1980-09-05
Publication date: 1981-04-23
Also published as: JPS5685722A; US4331390A

Description

303350S

Beschreibung.

Die Erfindung betrifft ein monozentrisches optisches System, das insbesondere als Laserstrahl-Bündelungs- und Zerstreuungseinrichtung, als katadioptrisches Teleskop, als Kollimator, als Teleskop ohne Verdunkelung und als System mit einfacher Vergrößerung verwandt werden kann. Optische Übertragungssysteme zeichnen sich durch eine einfache Vergrößerung und eine volle Korrektur für jede gegebene Objektebene aus.

Das in Figur 1 dargestellte monozentrische Bouwers-System hat einen bekannten Aufbau, bei dem die sphärische Aberration 3. Ordnung korrigiert werden kann. Dieses System weist einen sphärischen Spiegel 20, ein konzentrisches schalenförmiges Element oder eine konzentrische Linse 22 und eine Öffnungsblende 24 auf. Die Flächen 26 und 28 des schalenförmigen durchlässigen Elementes 22 und der Spiegelfläche 20 sind alle konzentrische Kugelflächen mit demselben gemeinsamen Krümrnungsmittelpunkt 30. Paralleles Licht von einem entfernt liegenden Objekt wird auf eine Bildebene 32 zwischen dem konzentrischen schalenförmigen Element 22 und dem Spiegel 20 focussiert.

Das in Figur 1 dargestellte System weist außer der Petzval-Krümmung keine Bildfeldaberrationen auf, was bedeutet, daß das Bild 32 gekrümmt ist. Dieses System ist zum überdecken großer Bildwinkel mit gleicher Güte geeignet, wobei eine ge™ krümmte Bildfläche und eine Öffnungsblende 24 am Krümmungsmittelpunkt des Systems angenommen wird, und arbeitet mit relativ grossen öffnungen. Die

Monochromatizität ist durch die sphärische Aberration 5. Ordnung begrenzt, die abnimmt, wenn die konzentrische Linse dicker ausgebildet wird.

Monozentrische Übertragungssysteme mit einer einfachen Vergrößerung, die einen primären und einen sekundären konzentrischen sphärischen Spiegel aufweisen, werden in bekannter Weise

130017/0540 - 8 -■

ORfGiNAL INSPECTED

" ⁸ - 3033503

dazu verwandt, von einem Original auf Mikroschaltungen zu drucken. Das Objekt und die Bildebenen befinden sich auf gleich beabstandeten Seiten des gemeinsamen Krümmungsmittelpunktes. Derartige Systeme sind beispielsweise unter der Bezeichnung Micralign von Perkin-Elmer Corporation erhältlich. Es ist gleichfalls bekannt, ein konzentrisches schalenförmiges Element zwischen das Objekt und/oder das Bild und den Reflektor bei diesen Systemen zu setzen, wobei das schalenförmige Element oder die schalenförmigen Elemente in einer Linie zum Krümmungsmittelpunkt und zum sekundären Spiegel ausgerichtet zwischen dem Objekt und dem sekundären Spiegel angeordnet ist bzw. sind.

Durch die Erfindung wird eine ganze Familie optischer Systeme vorgeschlagen, die sich dadurch auszeichnen, daß sie monozentrisch sind und ein durchlässiges schalenförmiges Element aufweisen, das sich bei Teleskopen oder bei teleskopartigen Verhältnissen zwischen der Bildebene und dem primären Spiegel befindet und das sich bei Übertragungssystemen mit einfacher Vergrößerung zwischen dem primären Spiegel und dem sekundären Spiegel befindet. Es versteht sich, daß der sekundäre Spiegel bei einem übertragungssystem mit einfacher Vergrößerung sich •tatsächlich an der Bildebene befindet, wenn das System als Teleskop verwandt wird,und das ein derartiges System einen doppelten Strahlengang hat. Das heißt, daß zwischen dem primären und dem sekundären Spiegel nicht nur eine einzige Reflektion sondern zwei Reflektionen auftreten. Das Licht geht daher viermal durch das schalenförmige Element.

Durch die Erfindung soll daher ein monozentrisches optisches System geschaffen werden, das insbesondere eine außerordentlich hohe Güte hat und auf optische Aberrationen korrigiert ist.

Das erfindungsgemäße System soll insbesondere ein einlinsiges System sein, das vorzugsweise als Laserstrahl-Bündelungseinrich-

130017/0640 " ⁹ "

ORIGINAL

tung oder Zerstreuungseinrichtung und als Kollimator verwandt werden kann.

Durch die Erfindung soll weiterhin ein verbessertes monozentrisches katadioptrisches Teleskop sowie ein verbessertes monozentrisches übertragungssystem einschließlich eines Systems geliefert werden, das im tief ultravioletten. Bereich verwandt werden kann.

Ein besonders bevorzugter Gedanke der Erfindung besteht in einem optischen System mit einem durchlässigen schalenförmigen Element und einem Spiegel. Die Oberflächen des schalenförmigen Elementes und des Spiegels sind monozentrisch, d.h. sphärisch mit demselben Krümmungsradius. Sowohl das Objekt als auch die •Bildebenen befinden sich vor dem durchlässigen schalenförmigen Element und im Abstand davon.

Einlinsige optische Systeme weisen ein durchlas si ^a? sclialenförmiges Element auf, wobei "der Spiegel und dia E'¹;.^;;...!ehe des schalenförmigen Elementes zusammenfallen. Diese. El;.,u3i L ■ können als Laserstrahl-Bündelungseinrichtungen„ LaserstrcihA-Sisraürauungseinrichtungen und Kollimatoren verwandt wercieu.

Es werden weiterhin Übertragungssysteme mit einfädler 7urgi*össerung zum extrem genauen Drucken von MikroschalUwagsr yorcjischlagen. Es werden Parameter für ein monociiroKiaciso^s^ Ϊ/ '■■■ System begrenzter Beugung im ultravioletten Bereich c^cuv^vsn.

Ein einlinsiges monosentrisches katadioptriseb.es Sy Q-; ^iS. iac bezüglich der sphärischen Aberration 3. und 5, Ordnung waa aller Bildaberrationen mit der Ausnahme der Pefcs^I-^iümaiung korrigiert. Eine zweilinsige Ausführung kann seiir tproila Bildwinkel mit guter Leistung bei Lichtstärken von beispielsweise f/0,6 überdecken. Kompliziertere Ausführungen sind basüglich der chromatischen Aberration und der chromatischen Änderung der Aberrationen korrigiert. Eine 30° χ 120° Streifeabildäusbildung ohne Verdunkelung und ein Infrarotsystern werden

130017/OS40 · ■

BAD ORIGINAL

gleichfalls vorgeschlagen.

Im folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnung bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert:

Figur 1 zeigt ein bekanntes monozentrisches Bouwers-Teleskop.

Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen monozentrischen f/0,9 Elementes.

Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen optischen Systems, bei dem das in Figur 2 dargestellte monozentrische Element auf Farblängsfehler und Farbquerfehler korrigiert ist.

Figur 4 zeigt ein Figur 3 ähnliches Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Systems mit einem Bildwinkel von 30°, das als eSfetrographisches Weitwinkelinstrument Verwandt werden kann.

Figur 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Laserstrahl-Bündelungs-und Zerstreuungseinrichtung ohne Verdunkelung.

Figur 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen f/1,2 Laserstrahl-Zerstreuungseinrichtung für optische Prüfverfahren.

Figur 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen monoζentrisehen f/0,8 Teleskops mit einem Bildwinkel von 35°.

Figur 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen monozentrischen f/0,6 Teleskops mit einem Bildwinkel von 50°.

Figur 9 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen monozentrischen f/0,6 Teleskops mit einem Bildwinkel von 50° mit einer schalenförmigen Linse aus Zinkselenid.

Figur 10 zeigt schematisch eine seitliche Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen 30° χ 120° Systems ohne Verdunkelung.

Figur 11 zeigt eine schematische geschnittene Draufsicht des

130017/0540

ORIGINAL INSPECTED

-11-

ί» 11 · ■*

3033503

in Figur 10 dargestellten Systems.

Figur 12 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen f/0,6 Teleskops mit einem Bildwinkel von 50° und einer Breitspektralkorrektur.

Figur 13 zeigt eine Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen monozentrischen Übertragungssystems mit einfacher Vergrößerung.

Im Extremfall füllt erfindungsgemäß die Linse 34 den gesamten Zwischenraum bis zum Spiegel 36 aus, so daß ein einziges mono-. zentrisches Element 37 gebildet ist, wie es in Figur 2 dargestellt ist. Die Öffnungsblende 42 befindet sich gleichfalls in der Ebene des Krümmungsmittelpunktes 44. Dieses Beispiel ist jedoch nicht nur eine stärkere Ausbildung des in Figur 1 dargestellten Systems. Das in Figur 2 dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung weist Glas auf dem. Weg zum Bild 38 auf, während die Ausbildung gemäß Figur 1 nur mit Glas vor dera Spiegel versehen ist und danach glasfrei ist. Dieser Unterschied ist sehr wichtig, da die Ausbildung gemäß Figur 2 so erfolgen kann, daß das Bild in das Glas, auf die Vorderflache oder in die äußere Luft vor der Vorderfläche fallen kann, wie es in Figur 2 dargestellt ist, incem verschiedene Linsenstärken gewählt werden.

Nur eine Wahl wird auf die sphärische Aberration 3. korrigiert sein. Es zeigt sich jedoch, daß dann, wenn die sphärische Aberration 3. Ordnung korrigiert werden kann, und die Bildposition gleichfalls unabhängig geändert werden kann, auch die sphärische Aberration 5. Ordnung korrigiert werden kann. Der Grund dafür besteht darin, daß die Voräerfläche'40 dann, wenn das Licht zum zweiten Mal hindurchgeht, in Abhängigkeit davon, ob das Bild nach innen, nach außen oder auf die Vorderfläche fällt, sphärische Aberrationen höherer Ordnung in sehr unterschiedlichem Ausmaß einführt. Das Ausmaß der sphärischen Aberration 5. Ordnung des Systems ist sehr empfindlich für kleine Änderungen in der Bildposition 38 rela-

130017/0540 - 12 -

... BAD, ORIGINAL

- 12--.. -3033801

tiv zur Vorderfläche 40.

Das wftrde bedeuten, daß die sphärische Aberration 3. Ordnung und die Bildposition nicht gleichzeitig in einem einzigen raonozentrisehen Element gesteuert werden könnten, da die Stärke des Elementes als die einzige Variable erscheint. Glücklicherweise ist der Brechungsindex des Elementes eine weitere zur Verfügung stehende separate Variable, worin das Grundprinzip der erfindungsgemäßen Ausbildung zu sehen ist. Es ha-fe sich herausgestellt, daß bei einim Brechungsindex η ■ 1,445 die Ausbildung in Figur 2 bei einer gegebenen Elementstärke auf die sphärische Aberration sowohl 3. Ordnung als auch 5. Ordnung korrigiert ist, während das Bild in der dargestellten Weise etwas außerhalb des monozentrischen Elementes 37 liegt. Bei anderen Brechungsindizes kann die sphärische Aberration entweder der 3. Ordnung oder der 5. Ordnung gleich Null gemacht werden^ können jedoch nicht beide Aberrationen gleichzeitig zum Verschwinden gebracht werden.

Quarzglas sowie einige Kunststoffe haben einen Brechungsindex, der diesem Brechungsindex sehr nahe kommt.Was die herkömmlichen Gläser anbetrifft, so hat das Schott BK-7-Glas einen Brechungsindex/ der dem genannten Wert nicht so nahe' kommt, aber eine relativ gute Aberrationskorrektur liefert. Bei dem in Figur 2 dargestellten System ist besonders günstig, daß die wirksame Bildöffnung bzw. die Lichtstärke in Luft etwa um einen Faktor η größer als die Lichtstärke im Glas auf]dem Weg zum Bild ist. Das bedeutet, daß die Ausbildung bei Lichtstärken in der Nähe von f/1,0 bei kleinen Bildgrößen eine begrenzte Beugung hat und eine einlinsige Laserstrahl-Zeaistreuungseinriohtung mit hoher Lichtstärke für optische Untersuchungsverfahren , für die Laserinterferänetrie USw. liefert.

Wenn Quarzglas verwandt wird, kann das monozentrische Element 37 in Figur 2 eine Lichtstärke von f/0,9 - 1/20 der Wellenfron tverformüng bei 0,6328 um für eine Brennweite von 2,5 cm

130017/0640

.. _J3 _

\¹³ "

haben. Dieses Einzellinsenelement ist nicht bezüglich des Farblängsfehlers korrigiert, allerdings tritt bei der dargestellten Position' der Öffnungsblende kein Farbquerfehler auf. Das in Figur 2 dargestellte System hat für einen Bildwinkel von 50° bei f/0,6 die folgenden Parameter: . 1. .Fläche 40:

Radius = -6,000

Material 34 = Quarzglas, Brechungsindex *

1,457

2..Fläche 36:

Radius = -16,9827

Material = das gleiche, reflektierend

Stärke 45 = 10,9827

Abstand zwischen der 1. Fläche 40 zum Bild

= -0,6059,
- Größe der Blendenöffnung = 6,000

Brennweite des Systems = 5,3943

Figur 3 zeigt, in welcher Weise der Farblängsfehler korrigiert werden kann, ohne die Korrektur des Farbquerfehlers zu beeinträchtigen. Eine parallele Platte 46 ist am gemeinsamen Krümmungsmittelpunkt der beiden Flächen angeordnet. Sie liefert •keinerlei Aberrationen. Eine nach innen verlegte Fläche 48 ist dann in der dargestellten Weise zusätzlich vorgesehen. Zwei Gläser 50 und 52 mit demselben Brechungsindex für die mittlere Wellenlänge des in Frage kommenden Spektrums aber mit verschiedenen Dispersionen sind zu einer zweiteiligen Kontaktlinse verkittet. In diesem Fall ist die zweiteilige Linse von außen her eine parallele Platte und hat.die nach innen verlegte Fläche 48 keinen Einfluß bei der mittleren Wellenlänge. Auf der einen Seite der mittleren Wellenlänge hat die nach innen verlegte Fläche 48 eine schwache Wirkung bzw. Brechkraft, so daß es möglich ist, den Farblängsfehler des katadioptrischen Systems zu korrigieren. Da die nach innen verlegte Fläche 48 an der Öffnungsblende 42 und in derselben Ebene wie der gemeinsame Krümmungsmittelpunkt der konzentri-

130017/0540 " ^U "

' IMSPECTED: ■ " '

3033503

sehen Flächen liegt , ist der sich ergebende Aufbau sowohl bezüglich des Farblängsfehlers als auch des Farbquerfehlers korrigiert. An der mittleren Wellenlänge arbeitet das in Figur 3 dargestellte Ausführungsbeispiel natürlich in gleicher Weise wie das in Figur 2 dargestellte Ausführungsbeispiel.

Durch eine sehr sorgfältige Wahl der beiden Gläser, aus denen die parallele Platte besteht, ist es möglich, auch den Sphärochroraatismus des katadioptrischen Systems gleichzeitig mit der Ausbildung als Achromat zu korrigieren. Zwei Gläser, die diese Wirkung haben, sind Schott F-5 für das Element 50 und SK-2 mit geringerer Dispersion für das Element 52, wie es in Figur 3 dargestellt ist. Der sich daraus ergebende Aufbau ist dann bezüglich der sphärischen Aberration 3. und 5. Ordnung, bezüglich des Komas und des Astigmatismus, bezüglich des Farblängsfehlers und des Farbquerfehlers sowie des Sphärochromatismus korrigiert. Die Verzeichnung sowie die chromatische Änderung der Verzeichnung sind gleichfalls korrigiert.

Figur 4 zeigt den Aufbau eines f/1,O-Systems mit einem Bildwinkel von 30°. Die Größe dieses Systems ist natürlich dadurch begrenzt, in welcher Größe ein Quarz-Glasstück erhalten werden kann. Dieses System liefert eine sehr gute ültraviolett-Himmelbeobachtungskamera oder ein anderes astrographisches Instrument, bei denen ein Weitwinkel und eine hohe Lichtstärke mit einem breiten Spektrum verbunden sein müssen. Von den sechs Flächen im Aufbau sind zwei eben, zwei konzentrisch und sind zwei bei der nach innen versetzten Fläche 48 zusammengepaßt, so daß der Aufbau mit geringen Kosten verbunden ist.

Figur 5 zeigt eine Laserstrahl-Bündelungs- und Zerstreuungseinrichtung mit einer Lichtstärke von f/2. Sie ist einfach ein Teil des in Figur 3 dargestellten Systems mit f/0,9. Da das Element monozentrisch ist, gibt es keine ausgezeichnete optische Achse und kann das System auch als eine f/2-Version "des Systems in Figur 3 angesehen werden, das soweit geneigt

-.15 -

130017/0540

ist, bis das Bild außerhalb des einfallenden Lichtstrahls liegt. Der Krümmungsmittelpunkt 44, in dessen Ebene die Öffnungsblende 45 liegt, liegt nicht in der öffnung der Blende 45. Es tritt kein Koma und kein Astigmatismus auf, so daß . eine sehr neigungsunempfindliche Einrichtung erhalten wird. Bei einer Ausbildung des in Figur 5 dargestellten Systems aus Quarzglas mit einer Brennweite von 2,5 cm ergibt sich eine Ausgangswellenfrontqualxtät von - T/20 der Wellen-Spitzenverformung bei 0,6328 |im für f/2 ohne Verdunkelung.

Figur 6 zeigt eine weitere Möglichkeit, den Aufbau des Systems in Figur 3so zu verwenden, daß die Ausgangswellenfront nicht entlang- des eintretenden Strahles zurückläuft. Ein auf der Seite 56 halbversilberter Strahlteiler 54 lenkt das divergierende Licht weg zu einer Seite, nachdem es durch den Brennpunkt 58 gegangen ist. Dadurch ergibt sich eine größere Lichtstärke als bei dem in Figur 5 dargestellten Aufbau, der nur eine Seite der öffnung verwenden kann.

Ein einzelnes Element mit irgendeinem Brechungsindex kann bezüglich der sphärischen Aberration sowohl'der 3. als auch der •5. Ordnung korrigiert sein, indem es etwas von der monozentrischen Lage abweicht. Die Stärke der Abweichung wird davon abhängen, wie weit der Brechungsindex vom idealen Wert von η = 1,445 entfernt ist. Beispielsweise kann bei dem in Figur 5 dargestellten Aufbau die Wellenfrontqualität auf etwa - T /150 der Spitzenverformung einfach dadurch verbessert werden, daß die beiden Flächen nicht exakt konzentrisch verlaufen. Für diese Verbesserung wird in Kauf genommen, daß ein gewisses Maß an Koma und Astigmatismus auftritt und daß das System neigungsempfindlich wird. In diesem Fall gibt es gleichfalls eine ausgezeichnete optische Achse, so daß das in Figur 5 dargestellte System nicht einfach dadurch erhalten werden kann, daß das in Figur 2 dargestellte System geneigt wird, bis das Bild den eintretenden Lichtstrahl verläßt. Alle anderen Systeme sind streng monozentrisch, da darin das Grundprinzip der Weltwinkelfunktion zu sehen, ist.

130017/0540 ■ .-.ie -

ORIGINAL INSPECTED

JG3S505

Durch eine Aufteilung des einzelnen Elementes in zwei Elemente ist es möglich, unabhängig die sphärische Aberration sowohl 3. als auch 5. Ordnung bei irgendeinem Brechungsindex zu korrigieren, wie es in Figur 7 dargestellt ist. Das in Figur 7 dargestellte Teleskop weist einen Spiegel 60 auf, der von einer schalenförmigen Linse 62 getrennt ist, wobei die Vorderfläche 64 und die Rückfläche 66 sowie der Spiegel 60 bezüglich des Krümmungsmittelpunktes 68 konzentrisch verlaufen. Eine Öffnungsblende 70 ist in der Ebene des Krümmungsmittelpunktes 68 vorgesehen und das Bild 72 befindet sich im Abstand von der Vorderfläche der schalenförmigen Linse 62.

Der Luftzwischenraum 74 zwischen der Linse 62 und dem Spiegel 60 ermöglicht eine Ausbildung mit einer sehr großen wirksamen Bildöffnung bzw. einer hohen Lichtstärke und begrenzter Beugung. Das in Figur 7 dargestellte System ist ein f/0,8-System unter Verwendung des Glases BK-7, das einen Bildwinkel von 35° überdeckt, wobei 80% der Energie in einem punktförmigen Bereich mit einem Durchmesser von 1,8 Bogensekundeliegt. Das Bild bewirkt eine Flächenverdunkelung von 25%, die über das Blickfeld konstant ist. Wenn diesem System eine Öffnungsgröße von 10 cm gegeben wird, beträgt die Wellenfrontqualität - ~C /20 bei 0,6328 (im. Da die sphärische Aberration 7. Ordnung die Leistung begrenzt, geht die Wellenfrontqualität für eine optimierte Auslegung mit der 8. Potenz der öffnung. Diese Auslegung zeigt deutlich eine bessere Monochromatizität bei Lichtstärken von f/1,0 oder weniger als es bisher jemals möglich war

Eine optimierte Auslegung des in Figur 7 dargestellten Systems hat die folgenden Parameter:

1. Element 62:

Radius der ersten Fläche 64 = -10,0000

Stärke 65 = 8,8354 :

Material = Schott BK-7-Glas., Brechungsindex 1,5168

- 17-

130017/0640.

3033503

Radius der 2. Fläche 66 = -18,8354 Abstand 67 zum 2. Element 60 =6,7330

2, Element 60;

Radius = -25,5684 , reflektierend Bildabstand 73 von der 1. Fläche = -0,9243 Öffnungsdurchmesser 71 = 11,0000 Brennweite des Systems =9,0755

Das in Figur 7 dargestellte System kann auf eine chromatische Änderung des Astigmatismus und eine chromatische Änderung des Petzval-Krümmung achromatisiert werden, indem d.ie schalenförmige Linse 62 in eine zweigeteilte Linse entweder mit einer ebenen oder einer gekrümmten Kontaktfläche umgewandelt wird, wie es bei 76 und 78 dargestellt ist, wobei die beiden Gläser, die die zweigeteilte Linse bilden, denselben Brechungsindex aber verschiedene Dispersionen haben. Die Doppelkonvex- oder Plankonvexlinse hat die höhere Dispersion.

Es hat sich herausgestellt, daß bei größeren Lichtstärken die beste Ausgeglichenheit zwischen der sphärischen Aberration niedriger Ordnung und höherer Ordnung dadurch erzielt wird, daß die Linse fortschreitend dünner ausgebildet wird. Figur 8, die denselben Maßstab wie die Figur 7 hat, zeigt eine optimierte Auslegung für eine Lichtstärke von f/0,6, die eine wesentlich dünnere Linse als die in Figur 7 dargestellte f/0,8-Auslegung hat. Das in Figur 8 dargestellte System kann bezüglich der chromatischen Änderung des Astigmatismus und der Petzval-Krümmung dadurch achromatisiert werden, daß das Element 62 in eine zweigeteilte Linse umgewandelt wird, wie es an der Zwischenfläche 80 dargestellt ist. Dieses System, das das Glas BK-7 verwendet, überdeckt einen Bildwinkel von 50° mit einer Flächenverdunkelung von 25%. Sowohl diese Ausbildung als auch die in Figur 7 dargestellte Ausbildung sind mit Elementen mit einer derartigen Größe dargestellt, daß keine Abschattung über den Bildwinkel auftritt. Die beiden in

' — 18 —

130017/0540

_ -I Q _

3033501

den Figuren 7 und 8 dargestellten Ausbildungen haben im wesentlichen dieselbe Leistung, wobei 80% der Energie in einen punktförmigen Bereich mit einem Durchmesser von 30 Bogensekunden über den gesamten Bildwinkel fällt. Der Conuswinkel des Lichtes von einem f/0,6 System beträgt +60°, so daß die Schärfentiefe sehr klein ist.

Figur 9 zeigt eine f/0,6-Ausbildung mit demselben Bildwinkel von 50°, wobei die Linse 76 aus Zinkselenid besteht. Dieses System für den infraroten Bereich verwendet gleichfalls einen primären Spiegel 78 und eine Öffnungsblende 80, die sich in der Ebene des Krümmungsmittelpunktes befindet. Ein nicht dargestellter Infrarotdetektor kann am Bild 84 angeordnet werden. Es sei daran erinnert, daß es zwar verführerisch sein mag, den Detektor an der Frontfläche der Linse anzuordnen, was bequemer ist als ihn am Bild 84 anzuordnen, das Grundprinzip der hohen Leistung dieser Ausbildungen jedoch der Luftzwischenraum 86 zwischen der Linse und dem Bild darstellt.

In den Figuren 10 und 11 ist ein 30° χ 120° -System ohne Verdunkelung dargestellt. Eine rechteckig geformte öffnung, die von der Seite in Figur 10 und von oben in Figur 11 dargestellt ist, liefert eine effektive Lichtstärke von f/1,5. Drei derartige Systeme würden den gesamten 360"-Horizont und einen Höhenwinkel von 30° überdecken.

Die rechteckige Öffnungsblende 88 befindet sich in der Krümmungsebene 90, enthält in der in Figur 10 dargestellte Weise jedoch nicht den Krümmungsmittelpunkt 90 in der Öffnung. Das rechteckige Bild 92, das durch das schalenförmige BK-7-Element 94 und den Reflektor 96 geliefert wird, ist nicht verdunkelt.

Daß die obigen Systeme in einem breiten Spektrum arbeiten, kann dadurch erzielt werden, daß der Farblängsfehler und der Sphärochromatismus korrigiert werden. Bei einem monozentrischen System gibt es keine anderen chromatischen Aberrationen.

130017/0540

ORIGINAL INSPECTED

Das Bouwers-System, wie es in Figur 1 dargestellt ist, wird oftmals dadurch achromat!siert, daß eine nach innen versetzte Fläche im Inneren der Linse zusätzlich vorgesehen wird, so daß diese Linse zu einer verkitteten Dublettlinse wird, wie es ähnlich in gestrichelten Linien in den Figuren 7 und 8 dargestellt ist. Dadurch ergibt sich jedoch ein Farbquerfehler, was die Wextwinkelfunktion für breite spektrale Bereiche gefährdet. Das kann dadurch umgangen werden, daß eine achromatisierende Linse 97 ohne Vergrößerung im Krummüngsmittelpunkt 102 des Systems angeordnet wird, wie es in Figur 12 dargestellt ist. Das in Figur 12 dargestellte System weist eine gewöhnliche schalenförmige Linse 98 und einen Spiegel 100 auf, wobei die sphärischen Flächen konzentrisch zum Krümmungsmittelpunkt 102 verlaufen und ein Bild 104 im Abstand vor der schalenförmigen Linse 98 gebildet wird. Es kann eine Dublettlinse verwandt werden, eine Triplet.tlinse hat jedoch einen weiteren Vorteil, der im folgenden dargestellt wird. Die Triplettlinse ist eine parallele Platte mit zwei nach innen versetzten Flächen. Zwei Gläser werden jeweils für die plankonkaven Linsen 106 und 107 und für die Bikonvexlinse 110 verwandt. An der betreffenden mittleren Wellenlänge, die von Interesse ist, haben die im Triplett 97 verwandten beiden Fläser denselben Brechungsindex, wobei das Triplett wie eine einfache parallele Platte aussieht. Es hat keinen Einfluß auf das hindurchgehende Licht und ändert nicht die Arbeit des monozentrisehen Teils des Systems. Bei anderen Wellenlängen führen die unterschiedlichen Dispersionen der beiden Gläser, von denen die Linse 110 eine höhere Dispersion als die Linsen 106 und 108 hat, dazu, daß das Triplett eine Wirkung hat, um die chromatische Aberration des monozentrischen Teils zu kompensieren. Da sich das Triplett an der Öffnungsblende und am Krümmungsmittelpunkt des monozentrischen Teils befindet, hat dieses System keinen Farbquerfehler.

Der Sphärochromatismus kann dadurch korrigiert werden, daß das Verhältnis der beiden Glasdispersionen sorgfältig gewählt wird.

130017/0840

"'" ' ''' ORIGINAL [MSPECTED

— on —

3Q3350S

Ein großer Dispersxonsunterschxed führt dadurch, daß die nach innen verlegten Flächen in dem achromatisierenden Triplett 97 stark gekrümmt sind und daß sich ein erheblicher Sphärochromatismus ergibt, während einer kleiner Dispersionsunterschied den entgegengesetzten Effekt hat. Eine sorgfältige Auswahl des Glases erlaubt eine Korrektur sowohl der chromatischen Aberration als auch des Sphärochromatismus. Das kann mit einer als Dublett ausgebildeten parallelen Platte erreicht werden, wie sie in Figur 3 dargestellt ist. Ein Triplett zeichnet sich dadurch aus, daß es aufgrund seiner Symmetrie bezüglich der chromatischen Änderung des Koma korrigiert ist, während das bei einem Dublett nicht der Fall ist. Das in Figur 2 dargestellte System hat nur eine chromatische Änderung des Astigmatismus allein im Triplett und eine chromatische Änderung der Petzval-Krümmung.

Im obigen wurde eine Vielzahl von Teleskopausbildungen beschrieben, die auf einem monozentrischen optischen System gemäß der Erfindung basieren. Alle diese Systeme sind extrem gut bei grossen Lichtstärken korrigiert. Es sind viele interessante Anwendungsmöglichkeiten für diese Systeme gegeben, die eine Leistung haben, die normalerweise nur durch die Verwendung von asphärischen Linsen oder einigen Elementen mehr zu erreichen ist. Es kann natürlich eine noch höhere Leistung dadurch erzielt werden, daß eine asphärische Linse höherer Ordnung im Krümmungsmittelpunkt dieser Systeme beispielsweise am Triplett 97 in Figur 9 oder an den Dubletts 50 in den Figuren 3 und 4 angeordnet wird. Der Vorteil aller dieser Ausbildungen besteht darin, daß direkt über und in der Nähe des Bildes kein Glas vorhanden ist, da der Brennpunktabstand von der Rückseite groß genug ist, so daß kein Glas direkt über und in der Nähe des Bildes vorhanden ist, und daß Staubteilchen oder Oberflächennarben und Kratzer auf der Linsenoberfläche nicht im Brennpunkt beim Bild liegen.

In Figur 13 ist ein Übertragungssystem 112 mit einfacher Vergrößerung zum Bedrucken von Mikroschaltungsplättchen darge-

130017/0540 " ²¹ "

3033503

stellt. Wiederum sind ein durchlässiges schalenförmiges Linsenelement 114 und ein Primärspiegel 116 vorgesehen. Bei diesem Aufbau wäre das in Figur 13 dargestellte System, das maßstabsgerecht dargestellt ist, ein Teleskop mit einem Bild an der Stelle 118. Tatsächlich kann das in Figur 13 dargestellte System als Teleskop ausgelegt werden und ergibt sich ein System mit einfacher Vergrößerung und begrenzter Beugung für ein 1"x1"-Objekt bei +12,5 dadurch, daß der Spiegelträger 120 so angeordnet wird, daß seine verspiegelte Fläche mit dem Bild 118 zusammenfällt. Es hat sich.gezeigt, daß eine optimale Korrektur dann erfolgt, wenn das Objekt und das Bild sich an den Stellen 120 und 122 oder umgekehrt in der Ebene des Krümmungsmittelpunktes 124 befinden.

Das System erzielt einen wesentlich größeren Bildwinkel als es sonst ohne das schalenförmlge Linsenelement 114 oder mit schalenförmigen Linsenelementen möglich ist, die zwischen dem Spiegel 118 und dem Krümmungsmittelpunkt 124 angeordnet sind.

Dieses System unterscheidet sich von bekannten Systemen dadurch, daß das Licht viermal durch das Linsenelement 114 geht, wenn es zum Sekundärspiegel geht' und vom Sekundärspiegel kommt und wenn es vom Objekt und Bild zum Primärspiegel geh't und vom Primärspiegel zum Objekt und Bild geht. Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal besteht darin, daß sich der sekundäre Spiegel nicht auf der Stirnfläche des schalenförmigen Linsenelementes befindet. Keine dieser Bedingungen reicht allein aus, um die hohe Leistung dieses Systems zu liefern, vielmehr müssen beide Bedingungen erfüllt sein.

Bei diesem System ist es möglich, daß nur .die Aberrationen und höherer Ordnung auftreten. Monochromatisch gibt es keine Aberrationen der 3., 5. oder 7. Ordnung. Bei der dargestellten Auslegung des Systems sind die Aberrationen niedriger Ordnung jedoch nicht gleich Null, um die Aberrationen 9. und höherer Ordnung auszugleichen.

- 22 -

; 130017/0540

Die Ausbildung zeigt keine axialen Farbfehler oder Farbquerfehler, jedoch eine chromatische Änderung des Astigmatismus und der Petzval-Krümmung, so daß sie am besten für monochromatische Verhältnisse geeignet ist.

Ein Merkmal dieser Ausbildung besteht darin, daß sie gut für alle konjugierten Abstände korrigiert ist, daß jedoch die Aberration 7. Ordnung nur dann korrigiert ist, wenn die Objekt- und Bildebenen im Krümmungsmittelpunkt liegen.

Für ein f/2-System bei 0,6382μπι mit begrenzter Beugung können die Elemente wie folgt definiert werden :

1. Element:

Radius der Frontfläche 126 = -2,5000

Stärke 127 = 0,9665

Brechungsindex = 1,5000 (Quarzglas

im ultravioletten Bereich)

Radius der Rückfläche 128 = -3,4665 Luftzwischenraum 130 zum primären Spiegel = 2,2446-primärer Spiegel:

Radius = -5,7111

sekundärer Spiegel:

Radius = -2,3697

Abstand 132 von der Vorderseite des 1. Elementes

114 = -0,1303

Die Objekt- und Bildebenen 120 und 122 fallen mit der Ebene des Krümmungsmittelpunktes zusammen. Die Bereiche 134 und 136 mit einer Bildqualität begrenzter Beugung gemessen vom Krümmungsmittelpunkt betragen für die Strecke 134 1,78 und für die Strecke 136 2,10.

Es sei darauf hingewiesen, daß ein Merkmal des in Figur -13 dargestellten Systems darin besteht, daß bei seiner Verwendung als Teleskop das Bild 118 die Form einer Kugelfläche hat, die kon-

130017/0540

zentrisch zum KrummungsmitteXpunkt 124 ist,und daß das für alle Bilder der erfindungsgemäßen monozentrischen Systeme der Fall ist.

Obwohl die Aberrationen 7. Ordnung nur dann korrigiert werden können, wenn die Objekte und Bilder 120 und 122 in der Ebene des Krümmungsmittelpunktes 124 liegen, treten nur Aberrationen 7. Ordnung auf, wenn die Objekte und Bilder vom System weg oder zum System hin bewegt werden> so daß das System relativ unempfindlich gegenüber mechanischen Fehlausrichtungen ist.

Bei Systemen zur Verwendung in einem breiten Spektralbereich kann das schalenförmige Linsenelement 114 in Form eines Eubletts mittels einer nach innen versetzten Fläche ausgebildet sein, wie es in gestrichelten Linien bei 138 oder 140 dargestellt ist.

Die plankonvexe oder die doppelkonvexe Linse, die in dieser Weise ausgebildet ist, hat eine höhere Dispersion, jedoch den gleichen Brechungsindex wie der andere Teil 142 des schalenförmigen Linsenelementes "114 wie bei der in den Figuren 7 und 8 dargestellten Ausbildung. Tatsächlich können die beiden Elemente, die das Dublett bilden, durch einen LuftZwischenraum ge-.trennt sein, um die Anzahl der Parameter zu erhöhen, die zur .Optimierung ausgenutzt werden können.

Obwohl das in Figur 13 dargestellte übertragungssystem den einfachsten Aufbau dann hat, wenn das schalenförmige Linsenelement 114 aus einem einzelnen Element besteht, kann es auch in mehrere konzentrische schalenförmige Elemente aufgeteilt werden, wenn das aus irgendeinem Grunde erwünscht sein sollte. Solange ein monozentrischer Aufbau erhalten bleibt, gibt es mehr als genug Auslegungsparameter, um eine hohe Leistung zu erzielen.' Wenn schalenförmige Linsenelemente mit einer ausreichenden Brechkraft nicht ohne weiteres bei großformatigen Ausführungen des erfindungsgemäßen Systemes erhältlich sind,

■■■'■'■■ - ' - 24 -

; 130017/0540

EMSPECTED

kann es in zwei oder mehr dünnere konzentrische schalenförmige Linsenelemente aufgeteilt werden. Es kann auch vorkommen, daß es mechanisch oder thermisch vorteilhaft ist, das schalenförmige Linsenelement in zwei oder mehr konzentrische Teile aufzuteilen. Das ausschlaggebende Erfordernis besteht darin, daß der Spiegel 1i18 von dem am nächsten liegenden schalenförmigen Linsenelement getrennt ist. Bei Kenntnis der oben beschriebenen Grundprinzipien des Systemaufbaus ist es ohne weiteres möglich, Ausführungsbeispiele der Erfindung mit mehrfachen schalenförmigen Linsenelementen auszulegen.

1 300 1 7/054Q

ORIGINAL INSPECTED

Leerseite

Claims

PATENTANSPRÜCHE

T. Monozentrisches optisches System g e k e η η ™

zeichnet durch

a) einen Spiegel (36,60,78,96,100,116),

b) ein durchlässiges schalenförmiges Element (34,62,94,98, 114), das zwischen dem Spiegel (36,60,78,96,116) und

dem Bild (38,72,84,92,104,118) liegt, das durch das System aus parallelen Strahlen gebildet wird, wobei

c) das Bild (38,72,84,92,104,118) im Abstand von dem durchlässigen schalenförmigen Element (34,62,94,98,114) liegt.

2. Optisches System nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet, daß sich der Spiegel (36) auf dem durchlässigen schalenförmigen Element (34) befindet.

130017/0540

telefon (O8S) aa as es TBUS* oa-aesso Telegramme monapat t«lbkopibrbb

BAD ORIGINAL

3. Optisches System nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet , daß der Spiegel (60,78,96,100,116) im Abstand von dem durchlässigen schalenförmigen Element (62,94#98, 114) liegt.

4. Optisches System nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch eine Öffnungsblende (42,45,70,81,88),
die in der Ebene des Krümmungsmittelpunktes (44,68,82,90) des Systems liegt.

5. Optisches System nach Anspruch 1, g e k e η η ζ e i c h net durch eine Öffnungsblende (42,45,70,81,88), die in der Ebene des Krümmungsmittelpunktes (44,68,82,90) des Systems
liegt. .

6. Optisches System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungsblende (45,70,81) symmetrisch um den Krümmungsmittelpunkt (44,68,82) liegt.

7. Optisches System nach Anspruch 5, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die Öffnungsblende (42,88) den Krümmungsmitt-.elpunkt (44,90) in der Öffnung nicht enthält.

8. Optisches System nach Anspruch 7, dadurch g e ken n zeichnet, daß die Öffnungsblende (88) etwa rechteckig
ist. ■ . ■ . · "r.: '·':.'

9. Optisches System nach einem der Ansprüche 1, 2,3, 5, 6 7 oder 8 gekennzeichnet durch eine durchlässige Platte (46,47) am Krümmungsmittelpunkt (44,102) mit einer nach innen verlegten Fläche (48), die die Platte (46,97) in Elemente mit verschiedener Dispersion unterteilt.

10. Optisches System nach Anspruch 9, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die Elemente im wesentlichen denselben
Brechungsindex haben.

130017/054 0 - 3 - .

11. Optisches System nach Anspruch TO, dadurch g β kenn ζ eic h η e t, daß das durchlässige schalenförmige Element (34,62,94,98., 1.14) einen Brechungsindex von etwa

'1,445 hat, ' ·

12. Optisches System nach einem der Ansprüche 1, 2, 5, 6

7 oder 8 dadurch g e k e η η ζ e ic h ft e t, daß das durch-, lässige schaleriförmige Element (34,62,94,98,114) einen Brechungsindex von etwa 1,445 hat. .

13. Optisches System nach Anspruch 12, ge k e η η ζ e ic h-η e t durch eine durchlässige Platte (46,97) im Krümmungsmittelpunkt (44,102) mit einer nach innen verlegten Flache (48), die die Platte (46,97) in Elemente mit verschiedener Dispersion unterteilt.

.14. Optisches System nach einem der Ansprüche 1,2,3,5,6, 7 oder 8 g e k e η η ζ ei σ h η e t. durch einen Strahlen-

' teiler (54),der sich am Krümmungsmittelpunkt (44) befindet.

'15* Optisches System nach einem der Ansprüche 1,2,5,6,7 :-.-"■■ ö.<fer .8; dadurch g e k e η η ζ e i c h η et, daß der Krümmungsradius der ersten Fläche (40) des schalenförmigen Elementes (34) etwa -6,000 beträgt, daß das Material Quarzglas mit einem Brechungsindex von etwa 1,457 ist, daß sich der Spiegel (36.) auf der zweiten Fläche des schalenförmigen Elementes (34) befindet und einen Krümmungsradius von etwa -16,9827 hat, daß die Stärke des schalenförmigen Elementes (34) etwa -10,9827 beträgt, daß der Abstand zwischen der ersten Fläche (40) des schalenförmigen Elementes (34) und dem Bild (38) etwa -0,6059 beträgt und daß die Größe der Blendenöffnung etwa 6,000 beträgt. · ' _;

■",.16. Optisches System nach einem der Ansprüche 1,2,3,5,6,7 oder 8 dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t, daß das durchlässige schalenförmige Element (42) eine nach innen verlegte Flä-

" ehe 148) aufweist, die es in zwei Elemente (50,52) unterteilt,

; t80017/0 540 -*-

3033508

von denen das eine eine positive und das andere eine negative Brechkraft hat, wobei das Element mit der positiven Brechkraft eine höhere Dispersion als das Element mit der negativen Brechkraft hat.

17. Optisches System nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente (50,52) mit negativer und positiver Brechkraft im wesentlichen denselben Brechungsindex haben.

18. Optisches System nach einem der Ansprüche 1,3 oder 5 dadurch gekennzeichnet, daß der Radius der ersten Fläche (64) des schalenförmigen Elementes (62) etwa -10,0000 beträgt/äaß seine Stärke etwa 8,8354 beträgt, daß das Material Schott BK-7-Glas mit einem Brechungsindex von 1,5168 ist, daß der Radius der zweiten Fläche (66) des schalenförmigen Elementes (62) etwa -18,8354 beträgt, daß der Radius des Spiegels (60) etwa -25,5684 beträgt, daß der Abstand der zweiten Fläche (66) zum Spiegel (60) etwa 6,7330 beträgt, daß der Bildabstand (73) von der ersten Fläche (64) etwa -0,9243 beträgt und daß die öffnung (70) symmetrisch um den Krümmungsmittelpunkt liegt und einen Durchmesser von etwa 11,000 hat.

19. Optisches System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das schalenförmige Element (62) aus BK-7-Glas besteht.

20. Optisches System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das schalenförmige Element (76) aus Zinkselenid besteht.

21. · Optisches System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (46) ein Dublett ist.

22. Optisches System nach Anspruch 21, dadurch g e k e η r zeichnet, daß das eine Element eine positive und das

130017/0540

ORIGINAL INSPECTED

andere eine negative Brechkraft hat/ wobei das Element mit der positiven Brechkraft eine höhere Dispersion aufweist.

23. . Optisches System nach Anspruch 9, dadurch g e k e η η ■ zeichne t, daß die Platte (97) ein Triplett mit einem Element positiver Brechkraft in der Mitte ist, wobei dieses Element eine höhere Dispersion als die anderen Elemente des

Tripletts hat.

24. Optisches System nach einem der Ansprüche 1,2,3,19,20, 22 oder 23, gekennzeichnet durch einen konvexen Spiegel (118) am Bild, das von parallelen Strahlen im System gebildet wird, wodurch sich ein System (112) mit einfacher Vergrößerung ergibt.

25. Optisches System nach Anspruch 24, dadurch g e k e η η zeichne t, daß das durchlässige schalenförmige Element (114) eine nach innen verlegte Fläche (138) aufweist, die es in zwei Elemente unterteilt, von denen eines eine positive und das andere eine negative Brechkraft hat, wobei das Element mit der positiven Brechkraft eine höhere Dispersion als das Element mit der negativen Brechkraft aufweist.

26. Optisches System nach Anspruch 25, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die Elemente mit negativer und positiver Brechkraft im wesentlichen den gleichen Brechungsindex haben.

27. Optisches System nach Anspruch 24, dadurch g e k e η η zeichnet, daß das schalenförmige Element (114) aus Quarzglas besteht.

28. Optisches System nach Anspruch 24, ge k e η η ζ e i c h net durch ein Objekt und ein Bild, die beide in der Ebene des Krümmungsmittelpunktes (124) und im Abstand vom Krümmungsmittelpunkt (124) liegen.

130017/0540

29. Optisches System nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet , daß das schalenförmige Element

(114) einen Brechungsindex von etwa 1,5000 hat, daß der Radius der Vorderfläche (126) des schalenförmigen Elementes

(114) etwa -2,5000 beträgt, daß der Radius der Rückfläche

(128) etwa -3,4665 beträgt, daß seine Stärke etwa 0,9665 beträgt, daß der Zwischenraum (130) zwischen der Rückfläche

(128) und dem Spiegel (160) etwa 2,2446 beträgt, daß der Radius des Spiegels (116) etwa -5,711 beträgt, daß der Radius des konvexen Spiegels (118) am Bild etwa -2,3679 beträgt, daß der Zwischenraum (132) zwischen der ersten Fläche (126) und dem konvexen Spiegel (118) etwa -0,1303 beträgt und daß das Objekt und das Bild seitlich in einem Abstand von etwa 1,78 bis 2,10 vom Krümmungsmittelpunkt (124) angeordnet sind.

30. Optisches System nach Anspruch 24, dadurch g e k e η η zeichnet, daß das schalenförmige Element (114) in wenigstens zwei Elemente mit identischen Stirnflächen unterteilt ist.

130017/0540