DE3636684A1 - Filter zur kompensation des helligkeitsabfalls in der bildebene eines objektives - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Filter zur Kompensation des Helligkeitsabfalls in der Bildebene eines Objektivs mit einem vom Bildwinkel w abhängigen, vorgegebenen Verlauf der Transmission T(w), wobei das Filter einen zentralen kreisförmigen Bereich mit einem konstanten Transmissionswert aufweist.

Der Helligkeitsabfall in der Bildebene des Objektivs bei endlicher Objekt- und Bildweite wird durch das cos⁴w-Gesetz beschrieben, wobei w der Bildwinkel des Objektivs ist. Bei vielen technischen Anwendungen, beispielsweise bei der Auswertung des Bildes eines Fluoreszenzbildschirmes durch ein Detektorenarray, ist aber eine gleichmäßige Beleuchtungsstärke in der gesamten Bildebene erforderlich. Um dieses Ziel zu erreichen, wird im allgemeinen vor oder nach dem Objektiv ein Kompensationsfilter aufgestellt. Die Aufstellung des Kompensationsfilters erfolgt vor oder nach dem Objektiv, weil dort, je nach Bauweise des Objektivs die Strahlenbündel für die einzelnen Bildwinkel w getrennt oder wenigstens teilweise getrennt sind.

Die Beleuchtungsstärke in der Bildebene ist durch die Gleichung

I(w) = I₀ cos⁴w

gegeben. Zum Ausgleich des Helligkeitsabfalls in der Bildebene eines Objektivs muß zwischen der Beleuchtungsstärke in der Bildebene und dem Transmissionsverlauf T(w) des Filters und des Objektivs folgender Zusammenhang bestehen:

I(w) × T(w) = const.

Damit ist aber der Verlauf der Transmission T(w) vorgegeben:

Auf diese Weise wird eine konstante Beleuchtungsstärke in der Bildebene erreicht.

Grundsätzlich kann auch eine andere Gesetzmäßigkeit für den Verlauf der Transmission vorgegeben sein.

Herkömmliche Kompensationsfilter mit einem Transmissionsverlauf T(w) sind jedoch entweder teuer und aufwendig herzustellen oder haben andere Nachteile:

So ist durch die DE-AS 28 15 704 ein Kompensationsfilter mit rotationssymmetrischem Verlauf der Transmission bekannt. Dieses Filter wird unter Vakuum durch Aufstäuben bzw. Aufdampfen einer Filterschicht auf einen Träger hergestellt. Dabei wird ein Träger in eine relative Drehbewegung zu einer Blende versetzt. In der Blende ist eine Öffnung ausgespart, die geeignet ist, auf dem Träger eine Schicht mit einem rotationssymmetrischen definierten Verlauf zu erzeugen. Es können mehrere Träger in einem Vorgang bedampft werden. Dazu ist jedoch für jeden Träger bzw. jede Blende ein Antrieb erforderlich. Die Herstellung eines Filters der bekannten Art ist somit sehr aufwendig. Da zudem nur geringe Stückzahlen pro Aufdampfvorgang hergestellt werden können, sind die Herstellungskosten entsprechend hoch.

Durch die US-PS 44 57 593 ist ein Linsensystem mit einem Kompensationsfilter bekannt. Das Filter besteht aus einer lichtabsorbierenden Schicht und ist auf einer Linsenoberfläche aufgebracht. Die lichtabsorbierende Schicht ist in einen zentralen Bereich und mehrere äußere Elementarbereiche gegliedert. Die Elementarbereiche haben Abstand untereinander sowie zum zentralen Bereich. Ein derartiges Filter ist zwar relativ einfach und mit geringen Kosten zu fertigen, jedoch können durch die kleinen äußeren Elementarbereiche Beugungserscheinungen verursacht werden, die gerade bei hochauflösenden optischen Systemen die Bildqualität beeinträchtigen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Filter zur Kompensation des Helligkeitsabfalls in der Bildebene eines Objektivs mit einem vom Bildwinkel w abhängigen, vorgegebenen Verlauf der Transmission T(w) anzugeben, bei dem die Bildqualität beeinträchtigende Beugungserscheinungen vermieden werden und das dennoch auf einfache und wirtschaftliche Weise hergestellt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch das Filter gelöst, das konzentrisch zum zentralen kreisförmigen Bereich eine oder mehrere ringförmige Zonen aufweist, wobei die Transmission innerhalb einer Zone im wesentlichen einen konstanten Wert hat und die radiale Ausdehnung sowie der Transmissionswert jeder Zone so bemessen ist, daß in jedem Punkt des Filters der Betrag der Differenz zwischen dem durch die Gleichung T(w) für diesen Punkt festgelegten Transmissionswert und dem Transmissionswert der zugehörigen Zone stets unter einem vorgegebenen Grenzwert g liegt.

Die Erfindung geht davon aus, daß die Beleuchtungsstärke in den meisten Anwendungsfällen nur auf einen bestimmten Faktor genau dem Idealwert der Beleuchtungsstärke gleichen muß. Erfindungsgemäß wird diese zulässige Toleranz ausgenützt. Es wird ein aus Ringzonen bestehendes Filter vorgeschlagen. Die aneinander sowie an den zentralen Bereich anschließenden Zonen sind in ihrer radialen Ausdehnung sowie in ihren innerhalb jeder Ringzone konstanten Transmissionswerten so bemessen, daß der Transmissionsverlauf dieses Filters stufenweise dem vorgegebenen Transmissionsverlauf T(w) folgt und dabei in keinem Punkt des Filters die Differenz zwischen dem vorgegebenen und dem tatsächlichen Transmissionswert größer als ein Grenzwert g ist. Dieser Grenzwert ist vor der Herstellung des Filters anhand der für den jeweiligen Anwendungsfall zulässigen Toleranz der Beleuchtungsstärke festzustellen.

Es hat sich gezeigt, daß in den meisten Anwendungsfällen die angestrebten Werte für die Beleuchtungsstärke trotz der Abweichungen des stufenförmigen Transmissionsverlaufs vom vorgegebenen idealen Transmissionsverlauf erzielt werden können. Überraschenderweise wird dies mit einem vergleichsweisen einfach zu fertigenden Filter erreicht.

Zur Herstellung von Ringzonen um einen zentralen kreisförmigen Bereich sind keine bewegten Blenden und somit auch keine Antriebe für diese Blenden erforderlich. Der von den Antrieben z. B. innerhalb einer Vakuumanlage für das Aufdampfen von Filterschichten beanspruchte Platz steht somit für die Herstellung weiterer Kompensationsfilter zur Verfügung, so daß in einem Herstellungsvorgang eine höhere Stückzahl gefertigt werden kann. Die Herstellungskosten eines Filters sind dabei erheblich niedriger als die eines mit rotierenden Blenden erzeugten Filters.

Wie bereits erläutert, ist in vielen technischen Anwendungsfällen eine Gleichmäßigkeit der Beleuchtungsstärke in der Bildebene eines Objektivs nur innerhalb einer Toleranz von ±n % der angestrebten Beleuchtungsstärke erforderlich und ausreichend. Durch die Toleranz für die Beleuchtungsstärke ist aber auch der Grenzwert g für die Transmission festgelegt. Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Grenzwert g kleiner als 4%, vorzugsweise kleiner als 1,5% des maximalen Filter-Transmissionswertes.

Wird ein Kompensationsfilter durch Aufbringen von Schichtmaterial auf einen Träger hergestellt, so hat es sich nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung als vorteilhaft erwiesen, wenn die aus Filterschichtmaterial bestehenden Zonen direkt auf eine der äußeren oder im äußeren Bereich des Objektivs, nicht jedoch in der Blendenebene liegende Objektivoberflächen aufgebracht sind. Da in diesem Fall das Kompensationsfilter dort aufzubringen ist, wo die Strahlenbündel für die Bildwinkel w wenigstens teilweise getrennt sind, also auf eine der äußeren Linsenflächen des Objektivs, wird der Einfluß der Absorptionsstufen in ihrer Wirkung auf einen gleichmäßigen Verlauf der Bestrahlungsstärke in der Bildebene teilweise ausgeglichen.

Bevorzugte weitere Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen Kompensationsfilters sind in den Unteransprüchen 4-7 angegeben.

Zur Herstellung eines Kompensationsfilters mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen dient vorzugsweise ein Verfahren, bei dem Filterschichtmaterial auf einen Träger mit Hilfe von Blenden aufgebracht wird. Im Vergleich zu Blenden, die mittels eines Antriebs in Rotation versetzt werden, nehmen feststehende Blenden einen geringeren Raum ein. Im Unterschied zu Blenden, die zur Herstellung eines aus einem zentralen Bereich und mehreren beabstandeten äußeren Elementarbereichen bestehenden Filters dienen, ist die Herstellung feststehender Blenden einfach. Beim erfindungsgemäßen Verfahren sind im Verlauf der Filterherstellung mehrere Blenden vor einem Träger anzuordnen. Filterschichtmaterial wird zunächst über die Blende mit maximalem Öffnungsdurchmesser und nachfolgend über Blenden mit jeweils geringerem Öffnungsdurchmesser als die vorgehende Blende auf den Träger aufgebracht. Über die Blende mit kleinstem Öffnungsdurchmesser wird zum Schluß die letzte Filterschicht aufgebracht und so der zentrale Bereich des Filters gebildet. Für das erfindungsgemäße Verfahren ist lediglich ein Satz Lochblenden mit unterschiedlichen Öffnungsdurchmessern erforderlich.

Nach bevorzugten Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Filterschichtmaterial entweder aufgedampft oder galvanisch aufgebracht.

Als Beispiel werden in der folgenden Tabelle anhand eines Objektivs mit einem halben Bildwinkel von w = 15° typische Zahlenwerte für einen dem cos⁴w-Gesetz folgenden Verlauf der Beleuchtungsstärke sowie für die Transmissionswerte T eines aus vier Zonen bestehenden Kompensationsfilters angegeben.

Tabelle:
Werte für cos⁴w, sowie Mittelwerte und Transmissionswerte für vier Zonen.

Das Filter hat im Zentralbereich bis zu etwa w = 7° einen Transmissionswert von T = 0,91 und im Bereich von 7° < w < 10° einen Transmissionswert T = 0,94.

Die Ringzone im Bereich von 10° < w < 12,5° bleibt unvergütet, während die Randzone eine Antireflexionsschicht erhält. Die Zuordnung der Bildwinkel w zu Radien des cos⁴w-Kompensationsfilters hat im Zusammenhang mit dem Aufbau des verwendeten Objektivs zu erfolgen.

Im folgenden soll anhand schematischer Skizzen ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kompensationsfilters dargestellt werden.

Es zeigen

Fig. 1 und Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Linse mit stufenförmiger Absorptionsschicht

Fig. 3 und Fig. 4 verschiedene Vignettierungsverläufe.

In den Fig. 1 und 2 ist ein auf eine Linsenoberfläche 1 eines Objektivs aufgebrachtes Kompensationsfilter, beispielsweise ein cos⁴w-Kompensationsfilter schematisch dargestellt. Zur Herstellung eines derartigen Filters kann die Linse 1 zusammen mit mehreren anderen Linsen in einen evakuierbaren Behälter mit einer Quelle für die Verdampfung von Filterschichtmaterial gebracht und jede Linse in einer Halterung gelagert werden. Vor jeweils einer Linsenfläche wird eine Lochblende angeordnet. Die kreisförmigen Lochblenden haben einen Durchmesser, der dem der Filterschicht 3 gleicht. Nun wird auf alle Linsen Filterschichtmaterial aufgebracht. Nachdem eine Filterschicht mit ausreichender Stärke aufgebracht worden ist, werden die Lochblenden gegen Lochblenden mit einem kleineren Öffnungsdurchmesser ausgetauscht. Die Durchmesser der neuen Lochblenden gleichen dem Durchmesser der Filterschicht 4. Der Austausch der Lochblenden gestaltet sich besonders einfach, wenn alle Lochblenden eines Durchmessers in einer Platte ausgespart sind. In diesem Fall muß nur eine Platte gegen eine andere Platte ausgetauscht werden.

Nach dem Austausch der Blenden wird erneut Filterschichtmaterial auf jede Linse aufgebracht. Hierdurch bildet sich auf Filterschicht 3 eine Filterschicht 4. Entsprechend wird der Zentralbereich 5 aufgebracht. Der zentrale Bereich 5 und die Filterschichten 3 und 4 sind konzentrisch zueinander und konzentrisch zur Linse 1 angeordnet. Auf diese Weise werden 3 Ringzonen und ein zentraler Bereich 5 gebildet.

Die Stärke jeder Filterschicht ist innerhalb ihres Bereiches konstant. Somit ergeben sich auch für die einzelnen Ringzonen und den zentralen Bereich, konstante Werte der Transmission. Diese Transmissionswerte und die radiale Ausdehnung der Filterschicht bzw. der Ringzonen und des zentralen Bereichs sind so bemessen, daß in jedem Punkt des Filters der Betrag der Differenz zwischen dem durch die Gleichung

für diesen Punkt festgelegten Transmissionswert und dem Transmissionswert der zugehörigen Zone stets unter einem vorgegebenen Grenzwert g liegt.

Fig. 2 ist eine Schnittdarstellung der in Fig. 1 dargestellten Linse.

Fig. 2 ist ebenfalls der schichtweise Aufbau der Absorptionsschicht zu entnehmen.

In Fig. 3 ist mit a die Vignettierung nach dem cos⁴w- Gesetz und mit b die mit einem aus vier Zonen bestehenden Filter erzielbare reduzierte Vignettierung dargestellt (4 Zonenkompensation). Dabei sind die Strahlenbündel für die einzelnen Bildwinkel am Ort des Kompensationsfilters getrennt. In Fig. 4 ist mit a die Vignettierung nach dem cos⁴w-Gesetz und mit b die reduzierte Vignettierung mit Zonenfilter bei nicht getrennten Strahlenbündeln dargestellt.

Claims (10)

1. Filter zur Kompensation des Helligkeitsabfalls in der Bildebene eines Objektivs mit einem vom Bildwinkel w abhängigen, vorgegebenen Verlauf der Transmission T(w), wobei das Filter einen bezüglich der optischen Achse des Objektivs zentralen kreisförmigen Bereich mit einem konstanten Transmissionswert aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter konzentrisch zum zentralen kreisförmigen Bereich eine oder mehrere ringförmige Zonen aufweist, wobei die Transmission innerhalb einer Zone im wesentlichen einen konstanten Wert hat und die radiale Ausdehnung sowie der Transmissionswert jeder Zone so bemessen sind, daß in jedem Punkt des Filters der Betrag der Differenz zwischen dem durch die Gleichung T(w) für diesen Punkt festgelegten Transmissionswert und dem Transmissionswert der zugehörigen Zone stets unter einem vorgegebenen Grenzwert g liegt.

2. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Grenzwert g kleiner als 4%, vorzugsweise kleiner als 1,5% des maximalen Filter-Transmissionswertes ist.

3. Filter nach einem der Ansprüche 1 oder 2 mit auf eine Linsenoberfläche aufgebrachtem Filterschichtmaterial, dadurch gekennzeichnet, daß die aus Filterschichtmaterial bestehenden Zonen auf einer der äußeren oder im äußeren Bereich des Objektivs liegenden Linsenoberflächen aufgebracht sind.

4. Filter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Zonen ein unvergüteter Bereich der Objektivoberfläche ist.

5. Filter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Zonen ein vergüteter Bereich der Objektivoberfläche ist.

6. Filter nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der unvergütete und der vergütete Bereich benachbarte Zonen sind und letzterer die Randzone des Filters bildet.

7. Filter nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgegebene Verlauf der Transmission T(w) durch die Gleichung gegeben ist.

8. Verfahren zum Herstellen eines Filters gemäß Anspruch 1 durch Aufbringen von Filterschichtmaterial auf einen Träger mit Hilfe von Blenden, dadurch gekennzeichnet, daß das Filterschichtmaterial auf den Träger mittels feststehender Blenden aufgebracht wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Filterschichtmaterial aufgedampft wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Filterschichtmaterial galvanisch aufgebracht wird.