DE4231895A1

DE4231895A1 - Mirror system with all radii concentric to common centre point - is completely free of coma, astigmatism and distortion, if no symmetry break is present

Info

Publication number: DE4231895A1
Application number: DE19924231895
Authority: DE
Inventors: Frank Gallert
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-09-21
Filing date: 1992-09-21
Publication date: 1994-03-24

Abstract

The system characterises by its position the centre point of a shutter, with the curved image field also concentric to the centre point. The curvature radius of the image field is equal to the system focal length. In the light path sequence, a collector spherical mirror projects an intermediate/image spaced from its focal length. Then a divergent light impinges on a spherical dispersion mirror, which increases the light divergence. Then the light impinges again on a spherical collector mirror, reflecting the light onto a detector. By suitable solution of the mirror spacings and radii, the spherical abberation is removed. ADVANTAGE - Spherical abberation correction is carried out exclusively by spherical mirrors.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Spiegelsystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, welches bedingt durch die konzentrische Lage sämtlicher Spiegelradien zu einem gemeinsamen Mittelpunkt, sowie daraus folgend des gekrümmten Bildfeldes zu diesem Punkt, der wiederum die Lage der Blende des Systems beschreibt, vollkommen frei von Koma, Astigmatismus und Verzeichnung ist.The invention is based on a mirror system according to the preamble of claim 1, which due to the concentric position of all Mirror radii to a common center, and consequently the curved image field at this point, which in turn is the location of the aperture of the system, completely free of coma, astigmatism and Distortion is.

Ein gattungsgemäßes Spiegelsystem wird in dem Patent US 3 827 778 beschrieben. Den Autoren dieses Systems schwebt vor allem ein Einsatz als Objektiv vor, wodurch sie wohl die relativen Auftreffhöhen auf die einzelnen Spiegel nur in gewissen Grenzen untersuchten.A generic mirror system is described in US Pat. No. 3,827,778 described. The authors of this system are primarily concerned with an assignment as a lens, which probably makes the relative impact heights on the examined individual mirrors only within certain limits.

Daher kommen sie zu Systemen, bei denen ein Spiegel zum Einsatz kommt, dessen Oberfläche so konturiert ist, daß die sphärische Abberation, die den von ihnen untersuchten Systemen auf geprägt bleibt, korrigiert werden kann. Dieser Korrekturspiegel wird dabei so angebracht, daß er in einer Ebene des Bildes des gemeinsamen Mittelpunktes der gekrümmten Flächen zu liegen kommt, so das er keine weiteren wesentlichen Asymmetriefehler einführt.So they come to systems that use a mirror, whose surface is contoured so that the spherical aberration, the the systems they investigated remains embossed, are corrected can. This correction mirror is attached so that it is in a Plane of the image of the common center of the curved surfaces comes to rest, so that there are no further significant asymmetry errors introduces.

Allerdings ist nun die völlige Elimination von Koma, Astigmatismus und Verzeichnung, bedingt durch die schwache Brechung der Symmetrie, nicht mehr möglich. Darüberhinaus ist die Herstellung der mit asphärischen Termen höherer Ordnung deformierten Planfläche, die zur Korrektur der sphärischen Abberation dienen soll, nicht trivial und mindestens ebenso schwierig wie die Herstellung einer Schmidtplatte.However, the total elimination of coma, astigmatism and No distortion due to the weak refraction of the symmetry more is possible. In addition, the manufacture of aspherical Terms of higher order deformed plane surface, which are used to correct the spherical aberration, not trivial and at least as well difficult as making a Schmidt plate.

Dem erfindungsgemäßen System liegt die Aufgabe zugrunde die genannten Nachteile von vornherein zu vermeiden und einen Weg aufzuzeigen die Korrektion der sphärischen Abberation ausschließlich unter Verwendung sphärischer Spiegel zu erreichen, wodurch die vollkommene Symmetrie des Spiegelsystems gewahrt bleibt und damit die vollkommene Elimination von Koma, Astigmatismus und Verzeichnung in beliebig hoher Ordnung gewähr leistet ist.The system according to the invention is based on the object Avoid disadvantages from the outset and show the way Spherical aberration correction only using spherical mirror to achieve, thereby the perfect symmetry of the Mirror system is preserved and thus the complete elimination of Grant coma, astigmatism and distortion in any order is accomplished.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im Kennzeichen des Hauptanspruchs gelöst.This task is characterized by the characteristics of the main claim solved.

Im vorliegenden erfindungsgemäßen konzentrischen Spiegelsystem ist es somit nicht erforderlich auf einen kompliziert geformten Spiegel mit asphärischen Termen höherer Ordnung zurückzugreifen, da die Korrektur der sphärischen Abberation für den erfindungsgemäßen Aufbau sogar in höherer als 3. Ordnung der Seideltheorie gelingt. Hierbei folgt auf einen sphärischen Sammelspiegel, der ein Zwischenbild entwirft, ein sphärischer Zerstreuungsspiegel, der das auf ihn auftreffende divergente Licht noch divergenter auf einen weiteren sphärischen Sammelspiegel reflektiert, von wo aus es auf einen Detektor auftrifft. Hierbei lassen sich die Radien des Systems so wählen, daß die sphärische Abberation wenigstens in 3. Ordnung korrigiert wird. Es gibt sogar einen Spezial fall, bei dem der Radius des Zerstreuungsspiegels im Verhältnis zum Sammelspiegel so gewählt wird, daß bei Korrektion der sphärischen Abbe ration des Spiegelsystems die Radien der beiden Sammelspiegel zusammen fallen, wodurch nun ein System mit nur zwei Spiegeln entsteht.It is in the present concentric mirror system according to the invention therefore not necessary with a complicated shaped mirror to use higher-order aspherical terms since the correction the spherical aberration for the structure according to the invention even in higher than 3rd order of the silk theory succeeds. Here follows a spherical collective mirror that creates an intermediate image spherical mirror of diffusion, the divergent striking it Light is even more divergent on another spherical collecting mirror reflects from where it strikes a detector. Leave here the radii of the system are chosen so that the spherical aberration is corrected at least in 3rd order. There is even a special case in which the radius of the scattering mirror in relation to the Collective mirror is chosen so that when correcting the spherical Abbe ration of the mirror system together the radii of the two collecting mirrors fall, creating a system with only two mirrors.

Letztgenannte Möglichkeit ist durch den Anspruch 2 des erfindungsge mäßen Systems charakterisiert.The latter possibility is by claim 2 of the fiction characterized system.

Neben dem Vorteil der Einfachheit des Systems ergibt sich vor allem eine verbesserte Symmetrie des erfindungsgemäßen Systems, was sich in der Unabhängigkeit des Durchmessers des Zerstreuungsscheibchens vom Gesichtsfeldwinkel niederschlägt. In addition to the advantage of the simplicity of the system, there is one thing above all an improved symmetry of the system according to the invention, which is reflected in the independence of the diameter of the scattering disc from the Visual field angle.

Als Nachteil ergibt sich, daß der Einsatz des Spiegelsystems als Ob jektiv ungünstig erscheint, da der Durchmesser der Blende und damit der freien Öffnung des Spiegelsystems nur einen Bruchteil des notwendigen Durchmessers des letztendlich abbildenden Sammelspiegels beträgt.The disadvantage arises that the use of the mirror system as an ob jective seems unfavorable because the diameter of the aperture and thus the free opening of the mirror system only a fraction of the necessary Diameter of the final imaging mirror.

Mit einiger Sicherheit war diese gewisse "Entartung" des Systems der Grund weshalb in der zitierten Patentschrift die Möglichkeit der Kor rektur der sphärischen Abberation ausschließlich mit sphärischen Spie geln nicht erkannt wurde.This certain "degeneracy" of the system was with certainty the The reason why the possibility of Cor rectification of the spherical aberration exclusively with spherical spie was not recognized.

Die Bedeutung des erfindungsgemäßen Systems liegt nun weniger in seiner Funktion als Objektiv, sondern ergibt sich durch Umkehrung des Strahlen ganges, wobei nun nur der Detektor durch eine Lichtquelle ersetzt wird. Es ergibt sich ein Kollimator, der bspw. für den erwähnten Spezialfall des Zweispiegelsystems Parallelbündel liefert, welche nahezu 8-fach geringeren Durchmesser als der sammelnde sphärische Spiegel aufweisen , so daß sehr intensive Lichtbündel entstehen. Der Einsatz als Scheinwer fer in Beleuchtungsvorrichtungen bietet sich geradezu an, insbesondere wenn man bedenkt, daß falls die Oberfläche der Lichtquelle so gekrümmt wird wie das konzentrische Bildfeld im Falle des Objektivs, dieser Kollimator fehlerfreie Parallelbündel zu liefern in der Lage ist.The importance of the system according to the invention is now less in its Function as a lens, but results from reversing the rays ganges, whereby now only the detector is replaced by a light source. The result is a collimator, for example for the special case mentioned of the two-mirror system delivers parallel bundles, which are almost 8 times have a smaller diameter than the collecting spherical mirror, so that very intense light beams are created. Use as a spotlight fer in lighting devices offers itself, in particular if you consider that if the surface of the light source is so curved becomes like the concentric image field in the case of the lens Collimator is able to deliver error-free parallel bundles.

Als Lichtquelle kann aber auch der beleuchtete Spalt in Spektrographen oder ein Zwischenbild dienen, das von einer anderen vorhergehenden Optik entworfen wird, wodurch eine ganze Reihe weiterer Einsatzmöglichkeiten gegeben ist.However, the illuminated slit in spectrographs can also be used as the light source or serve an intermediate image, that of another previous optics is designed, creating a whole range of other possible uses given is.

Ein erfindungsgemäßes System wird anhand der einzigen Zeichnung in Fig. 3 erläutert, wobei der Spezialfall des Zweispiegelsystems darge stellt ist. Man erkennt, das insbesondere zur Vermeidung von Vignettie rung am Zerstreuungsspiegel das Umlenken des Strahlenganges mittels eines Planspiegels mit zentraler Bohrung nach Anspruch 3 erfolgt. Dabei wird dieser am günstigsten in der Umgebung des vom sphärischen Sammel spiegel entworfenen Zwischenbildes angebracht und erhält eine zentrale Bohrung, die so groß gewählt wird wie das Gesichtsfeld, das man über tragen will. Der Planspiegel gestattet nun die Blende des Systems und damit den Strahlengang der parallelen Bündel weitgehend vom Geschehen der eigentlichen optischen Abbildung zu isolieren.A system according to the invention is explained with reference to the single drawing in Fig. 3, the special case of the two-mirror system is Darge. It can be seen that the deflection of the beam path is carried out by means of a plane mirror with a central bore according to claim 3, in particular to avoid vignetting on the diverging mirror. It is best placed in the vicinity of the intermediate image designed by the spherical collecting mirror and receives a central hole that is chosen to be as large as the field of view that you want to transmit. The plane mirror now allows the aperture of the system and thus the beam path of the parallel bundles to be largely isolated from what is happening in the actual optical image.

Weitere Ausgestaltungen des Gegenstandes nach Anspruch 1 ergeben sich aus den Unteransprüchen 4 bis 6.Further refinements of the subject matter according to claim 1 result from subclaims 4 to 6.

Der Autor gibt in Tab. 1 die Konstruktionsdaten dieses sehr einfachen erfindungsgemäßen Beispielsystems, in Tab. 2 die Seidelschen Flächenteil koeffizienten und ihre Summenwerte nach der 3. Ordnung und schließlich in Fig. 1 die zum Beispielsystem zugehörige exakte differentialgeometri sche Durchrechnung im meridionalen Schnitt.In Tab. 1 the author gives the construction data of this very simple example system according to the invention, in Tab. 2 the Seidel surface area coefficients and their sum values according to the 3rd order and finally in Fig. 1 the exact differential geometry calculation in meridional section belonging to the example system.

Abschließend wird in Fig. 2 die meridionale Durchrechnung desselben Sys tems gegeben, wobei jetzt nur der Radius des Zerstreuungsspiegels und damit sein Abstand vom Sammelspiegel so gewählt, wird, daß die Korrektion der sphärischen Abberation optimiert und in höherer als 3. Ordnung gewährleistet wird. Die Verringerung des Durchmessers des Zerstreuungs scheibchens im Vergleich zu Fig. 1 ist augenfällig.Finally, the meridional calculation of the same system is given in FIG. 2, with only the radius of the diverging mirror and thus its distance from the collecting mirror being selected such that the correction of the spherical aberration is optimized and guaranteed in a higher than 3rd order. The reduction in the diameter of the scattering disc compared to Fig. 1 is striking.

Die meridionale Durchrechnung für den Gesichtsfeldwinkel 0 Grad bleibt im übrigen - bedingt durch die prinzipielle Identität der Bündel parallelen Lichts verschiedener Einfallswinkel, die dieses System treffen - für alle Gesichtsfeldwinkel gültig, mit der Ausnahme, daß das Zerstreuungsscheibchen mit steigendem Gesichtsfeldwinkel kleiner wird , da die natürliche Vignettierung der Blende den Strahlengang zunehmend in meridionaler Richtung abschattet. The meridional calculation for the visual field angle remains 0 degrees otherwise - due to the basic identity of the bundle parallel light of different angles of incidence that this system hit - valid for all angles of view except that Lens becomes smaller with increasing field of view angle, because the natural vignetting of the aperture increases the beam path shadows in the meridional direction.

Description of the pictures

Tab. 1 Konstruktionsdaten eines erfindungsgemäßen BeispielsystemsTab. 1 Construction data of an example system according to the invention

Tab. 2 Seidelkoeffizienten und Seidelsummen nach der 3. Ordnung anhand des Beispielsystems.Tab. 2 Seidel coefficients and silk sums according to the 3rd order using the example system.

Man erkennt, daß Bildfeldkrümmung vom Betrag der Brennweite auftritt. Sphäre, Koma, Astigmatismus und Verzeichnung werden zu NullIt can be seen that the field curvature depends on the amount of the focal length occurs. Sphere, coma, astigmatism and distortion become zero

Fig. 1 Exakte Differentialgeometrische Durchrechnung des Beispiel Systems im meridionalen Schnitt. Fig. 1 Exact differential geometric calculation of the example system in the meridional section.

Dabei gibt der Parameter Verschbg. die notwendige axiale Verschiebung gegenüber dem jeweiligen paraxialen Brennpunkt um die Ebene der kleinsten geometrischen Zerstreuungsfigur zu treffen. Diese liegt hier 21 µm hinter dem paraxialen Fokus. Der Durchmesser dieser Figur beträgt hier etwa 6.6 Bogensekunden.The parameter shift. the necessary axial Shift in relation to the respective paraxial focal point around the level of the smallest geometric figure of confusion hold true. This is 21 µm behind the paraxial Focus. The diameter of this figure is about 6.6 Arc seconds.

Die so erhaltene optimale letzte Schnittweite des Systems beträgt dann 1378.3195 mm bzw. die Brennweite -178.3915 mm.The optimal final focal length of the system obtained in this way is then 1378.3195 mm or the focal length -178.3915 mm.

Der Krümmungsradius des Bildfeldes beträgt dann ebenfalls 178.3915 mm. Die freie Öffnung beträgt 100 mm - somit die Öffnungszahl in etwa 1.784.The radius of curvature of the image field is then also 178.3915 mm. The free opening is 100 mm - thus the number of openings approximately 1,784.

Der notwendige Durchmesser des sphärischen Sammelspiegels für das axiale Bündel beträgt dann 759 mm.The required diameter of the spherical collecting mirror the axial bundle is then 759 mm.

Die Vorzeichen der Radien und Abstände weichen in der gewählten differentialgeometrischen Darstellung des Autors von denen der Seideltheorie je nach Orientierung der Fläche ab.The signs of the radii and distances differ in the selected geometric representation of the author of those of the silk theory depending on the orientation of the area from.

Das Licht kommt in Fig. 1 und Fig. 2 jeweils von links wobei die Umgebung des Brennpunktes mit hoher Auflösung darge stellt wird. Das Achsverhältnis ist normiert bezüglich der Öffnungszahl.In Fig. 1 and Fig. 2, the light comes from the left, the surroundings of the focal point being represented with high resolution. The axis ratio is standardized with regard to the number of openings.

Die beiden Bildfehlerwerte rechts oben geben immer nur die Abweichung in der Auffangebene bezüglich des letzten durch gerechneten Strahls - also des Randstrahls.The two image error values at the top right only give that Deviation in the catchment level with respect to the last one calculated ray - i.e. the marginal ray.

Fig. 2 Durchrechnung im meridionalen Schnitt des leicht abgeänder ten Beispielsystems. Hierbei ist der Radius des Zerstreu ungsspiegels so gewählt, daß die Restsphäre aus Termen 5 und höherer Ordnung minimiert wird. Die Ebene des kleinsten geometrischen Zerstreuungsscheib chens liegt jetzt 10 µm vor dem paraxialen Fokus. Fig. 2 calculation in the meridional section of the slightly modified example system. Here, the radius of the dispersion mirror is chosen so that the residual sphere of terms 5 and higher order is minimized. The plane of the smallest geometric scattering disc is now 10 µm before the paraxial focus.

Der Durchmesser dieser Figur ist jetzt auf etwa 1.3 Bogen sekunden reduziert, also etwa 5 mal kleiner wie in Fig. 1.The diameter of this figure is now reduced to about 1.3 arc seconds, i.e. about 5 times smaller than in FIG. 1.

Die so erhaltene optimale letzte Schnittweite des Systems beträgt jetzt 1380.939 mm bzw. die Brennweite -180.939 mm. Der Krümmungsradius des Bildfeldes beträgt dann ebenfalls 180.939 mm. Die Öffnungszahl resultiert zu etwa 1.809 .The optimal final focal length of the system obtained in this way is now 1380.939 mm or the focal length is -180.939 mm. The radius of curvature of the image field is then also 180,939 mm. The number of openings results in approximately 1,809.

Fig. 3 Maßstäblich verkleinerte Darstellung des Beispielsystems mit den wesentlichen geometrischen Parametern. Fig. 3 Scale-down representation of the example system with the essential geometric parameters.

Claims

1. Mirror system, in which all radii of the system are concentric to a common center, which in turn characterizes the center of the aperture of the system by its position, the curved image field also being concentric to this point and the radius of curvature of the image field equal to the focal length of the system is characterized by
that the system is completely free of coma, astigmatism and distortion in any order due to the absence of any symmetry breaking
characterized ,
that in the order of the light path a collecting spherical mirror creates an intermediate image at a distance of its focal length, after which the then divergent light strikes a spherical diffusing mirror, which increases the divergence of the light, after which the light then hits a spherical collecting mirror, which finally, the light is reflected back onto a detector, whereby the mutual spacing of the mirrors and thus their radii can be selected so that the spherical aberration is also eliminated.

2. Mirror system according to claim 1, characterized in that it Maintaining the correction of image errors and here in particular that of spherical aberration is a ratio of the radius of the scatter mirror to the radius of the previous collecting mirror at which the radius of the ultimately collecting mirror is equal to the radius of the first collecting mirror, whereby these coincide spatially and thus a system of only two spherical mirrors is created.

3. Mirror system according to claim 1 or 2, characterized in that the light path of the system can be folded using plane mirrors, whereby in particular a plane mirror that is inclined, for example, by 45 ° and a zen central bore, introduced into the environment of the intermediate image is, which now the position of the system aperture of the mirror system by 90 ° rotated against the previous optical axis and a problematic Vignetting of the incident parallel light on the diverging spike gel is avoided.

4. Mirror system according to claim 1 or 2, characterized in that parallel to the aperture of the mirror system and at the level of the image plane Insert structure made of glass fibers or other light-conducting elements bar, which is radial in its direction from the center of the mirror system point away and the curved image field of the system on a flat image Field transmitted, being on the side facing the incident light the light-guiding matrix, which hugs the curved image field.

5. Mirror system according to claim 1 or 2, characterized in that a package by reversing the light path through the mirror system mator results, for example, in particular a flawless headlight as soon as only the light source gives a curved surface of the amount has the curvature of the image field and clings to it.

6. Mirror system according to claim 1 or 2, characterized in that the mirror system can also be shaped off-axis, with the off-axis The position of the diaphragm determines the non-axiality of the mirrors in a purely constructive manner.