DE4429377A1 - Katadioptrisches Objektiv - Google Patents
Katadioptrisches ObjektivInfo
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Description
Die Erfindung geht aus von einem katadioptrischen Objektiv nach dem Oberbegriff des Haupt
anspruchs.
Bei dem Gegenstand handelt es sich um ein aus 3 optischen Elementen bestehendes Objektiv,
wobei diese optischen Elemente in allgemeinen durch Luftabstände voneinander getrennt sind.
Stand der Technik sind katadioptrische Objektive wie sie von E. Wiedemann in den Druck
schriften DE 29 29 678.4 und DE 31 21 044 beschrieben wurden.
Dabei sind in der Druckschrift DE 29 29 678.4 in der Reihenfolge des Lichteinfalls eine
konvexplane Frontlinse, ein Manginspiegel und ein erhabener sammelnder Meniskus angeord
net, wobei die Frontlinse in ihrem zentralen Teil rückseitig verspiegelt ist.
In der Druckschrift DE 31 21 044 folgt auf eine bikonvexe Frontlinse ein Manginspiegel und
ein erhabener, sammelnder Meniskus, wobei die Frontlinse in ihrem zentralen Teil rückseitig
verspiegelt ist, wobei alle 3 Elemente aus dem gleichen optischen Material bestehen können.
Eine exakte dreidimensionale Durchrechnung zeigt jedoch, daß der sehr guten axialen Korrek
tur bei den angestrebten kleinen Öffnungszahlen keine äquivalente Korrektur der Bildfeldaber
rationen zugeordnet werden kann. Dies wird vor allem verursacht durch einen Mischfehler 5.
Ordnung, der als sogenannte versteckte bzw. schiefe Sphäre bezeichnet wird. Auch liefert die
chromatische Variation der Koma, die Koma 5. Ordnung und der Farbvergrößerungsfehler
Beiträge zu diesen außeraxialen Bildfehlern. Ursache dieser Bildfehler ist vorwiegend das
technisch verständliche Streben nach einer vergrößerten letzten Schnittweite im Vergleich zur
Druckschrift DE 29 29 678.4, wozu die Hinterfläche der Frontlinse konvex ausgebildet wird.
Die Druckschrift DE 29 29 678.4 weist eine bessere Bildfeldkorrektur als die Druckschrift
DE 31 21 044 auf, was im Wesentlichen auf die hier plane Hinterfläche der Frontlinse zurück
zuführen ist.
Das erfindungsgemäße Objektiv hat sich die Aufgabe gestellt die Abbildungsqualität auch ge
genüber den Objektiven der Druckschrift DE 29 29 678.4 noch einmal wesentlich zu verbes
sern, sodaß auch eine visuelle Benutzung des Objektives mit beugungsbegrenzter Auflösung
möglich wird.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es hierbei die Abbildungsfehler auf ein solches Maß zu ver
ringern, daß für eine Öffnungszahl von 3 und 200 Millimeter freier Öffnung die Zerstreuungs
scheibchen im Spektralbereich von 400-700 Nanometer in der Größe des zugehörigen Beu
gungsscheibchens liegen - und zwar auf dem gesamten Bildfeld von dann 4 Grad Durchmesser.
Damit soll eine Bildqualität erreicht werden, die die einer Schmidtkamera mit Bildfeldebnungs
linse bei gleicher Öffnungszahl und vergleichbaren übertragbaren Objektfeld erreicht, wobei
die Baulänge im Vergleich zur äquivalenten Schmidtkamera auf ein Viertel reduziert wird.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es das Objektiv aus einer einzigen, sehr billigen Glassorte
wie BK7 aufzubauen. Ein solches Objektiv soll dann selbst gegenüber der äquivalenten
Schmidtkamera etwa die gleiche Bildqualität realisieren, wobei der Vorteil des erfindungsge
mäßen Objektivs außerdem im direkten Zugriff auf die Bildebene, der auf ein Viertel reduzier
ten Baulänge und dem Wegfall der asphärischen Fläche besteht. Zugleich soll im Vergleich zur
Druckschrift DE 29 29 678.4 die Bildqualität je nach Öffnungszahl um den Faktor 2 bis 5 er
höht werden, d. h. die Zerstreuungsscheibchen sollen um diesen Faktor kleiner sein, wobei ge
genüber der Druckschrift DE 29 29 678.4 merklich billigere Glassorten zum Einsatz gelangen.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Frontlinse konvexkonkav ausgebildet wird, wobei
nachfolgend ein Manginspiegel angeordnet ist, der das Licht auf den zentralen, verspiegelten
Teil der Hinterfläche der Frontlinse reflektiert, der gegen das einfallende Licht nun konkav ist,
von wo aus das Licht zurückreflektiert wird und durch die konvexkonkave Sammellinse auf
die Bildebene gelangt. Dabei ist die Sammellinse vorzugsweise in einer Bohrung im Mangin
spiegel angeordnet. Da die Ausprägung des erfindungsgemäßen Objektives gemäß Anspruch
2 mit nur einer Glassorte gelingt, kann die Sammellinse integraler Bestandteil der Glasscheibe
sein, aus der der Manginspiegel gefertigt wird, wodurch die Justierung des Objektives verein
facht wird. Zum Zweck der optimalen Korrektion auf verschiedene Objektweiten kann die
Sammellinse längs der optischen Achse verschiebbar in der Bohrung im Manginspiegel ange
ordnet werden um somit eine Innenfokussierung zu realisieren bei der der Abstand vom letzten
Linsenscheitel zur Bildebene konstant bleibt.
Um eine beugungsbegrenzte Abbildung zu realisieren sollte das Zerstreuungsscheibchen über
den Spektralbereich nicht größer sein als:
d=2.44* λ * N, [1]
wobei λ die mittlere Wellenlänge des Spektralbereichs und N die Öffnungszahl des Objektives
sei. Nimmt man einen Spektralbereich von 400-700 Nanometer und eine Öffnungszahl von
3 so ergibt sich d = 4 Mikrometer.
Filme und selbst CCD-Empfänger nach dem Stand der Technik können dieses Auflösungsver
mögen nicht voll erfassen. Pixel von CCD′s nach dem Stand der Technik haben Kantenlängen
von 10-15 Mikrometer. Es ist damit klar, daß Gleichung [1] nicht in voller Strenge auf die
Bildfeldkorrektur angewandt werden muß. Für den axialen Bildpunkt und seine nähere Umge
bung sollte jedoch für hochauflösende visuelle Beobachtungen diese Grenze nicht überschrit
ten werden. Es sei erwähnt, daß selbst die besten Fluorittripletts bei Öffnungszahlen von nur 6
und nur 100 Millimeter freier Öffnung dieses nicht zu leisten im Stande sind. Das erfindungs
gemäße Objektiv hingegen leistet dies selbst bei der Öffnungszahl 3 und 200 Millimeter freier
Öffnung. Bei einer Öffnungszahl von 4 sind sogar bis zu 600 mm freie Öffnung möglich für die
beugungsbegrenzte Abbildung eines Objektfeldes von dann 3 Grad Durchmesser.
Das erfindungsgemäße Objektiv schlägt damit eine Brücke zwischen hochkorrigierter Weit
feldoptik vor allem für die Astronomie und höchstkorrigierter visueller Optik für kleinere Ob
jektfelder. Dabei ist das erfindungsgemäße Objektiv der jeweiligen Spitzenoptik auf diesen
beiden Gebieten hinsichtlich der geometrischen Abbildungsqualität mindestens gleichwertig
oder überlegen. So tritt es als Kombinationsinstrument in direkte Konkurrenz zu hochauflö
senden Refraktoren mit Fluorittripletts. Bei einer Öffnungszahl von 3 ist es 4mal kürzer als ein
Refraktor der Öffnungszahl 6 und gleicher absoluter freier Öffnung. Die Farbkorrektion des
erfindungsgemäßen Objektivs ist selbst in dieser Relation überlegen. Demgegenüber dürfte ein
gewisser Abfall bei mittleren Ortsfrequenzen in der Modulationsübertragungsfunktion, bedingt
durch die Zentralabschattung, tolerierbar sein. Ohnehin ist diese mit etwa 49 Prozent des
Durchmessers der freien Öffnung nicht so erheblich größer wie die von Cassegrain - oder
Schmidt-Cassegrain Optiken. Dagegen ist die Lichtstärke des erfindungsgemäßen Objektives
und die Farbkorrektion weit besser als die von Schmidt-Cassegrain-Systemen, wobei letztere
ja nur bis Öffnungszahlen von 6 tolerierbare Farbfehler liefern, die bedingt sind durch die die
sen Systemen eigentümliche starke Deformation der asphärischen Korrektionsplatte.
Das erfindungsgemäße System kann aber auch gemäß Anspruch 6 als Fernrohrobjektiv mit
sehr geringer Mittenobstruktion ausgebildet werden. Zu diesem Zweck wird ein gegen die op
tische Achse geneigter Planspiegel auf die Hinterfläche der Frontlinse aufgebracht, der das
Licht nach erfolgter Reflexion am Manginspiegel seitlich aus dem eigentlichen optischen Tu
bus reflektiert. Die Wahl des Abstandes von Frontlinse und Manginspiegel erfolgt so, daß die
Mittenobstruktion, d. h. der notwendige Durchmesser des Planspiegels, möglichst klein ist, aber
andererseits die Sammellinse außerhalb des eigentlichen optischen Tubus angeordnet werden
kann. Die notwendige Größe der Zentralabschattung entspricht dabei der bester Newtonteles
kope. Allerdings wird die Größe der Zentralabschattung wesentlich bestimmt durch die Größe
des Objektfeldes, das man mit geringer Vignettierung übertragen will.
Der durch die Frontlinse abgeschlossene Tubus und der Wegfall von Hilfsspiegelstreben trägt
ebenfalls zu einem ruhigen, geschlossenem Bild mit akzeptierbarer sekundärer Beugung bei.
Gleichzeitig kann das Objektiv als Weitfeldsystem dienen, das eine äquivalente Schmidtkamera
mit Bildfeldebnungslinse in der Leistungsfähigkeit erreicht, wobei das erfindungsgemäße Ob
jektiv 4mal kürzer ist. Noch wichtiger ist aber die Möglichkeit des direkten Zugriffs auf die
Bildebene und des bequemen Arbeitens bei astrofotografischen Aufnahmen. Selbstverständlich
kann das Objektiv auch in der konventionellen Fotografie oder Videografie eingesetzt werden.
Günstig ist zudem, daß die erforderlichen Linsen des Objektives recht dünn sein dürfen, wo
durch ein sehr leichtgewichtiges Objektiv möglich wird. Da das Objektiv komplett aus BK7
gefertigt werden kann, ist es zumindestens vom Materialpreis her nur schwer zu unterbieten.
Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Objektives. Dabei trifft einfal
lendes Licht durch die Frontlinse 1 auf den Manginspiegel 2 und wird von diesem auf den zen
tralen, verspiegelten Teil der Hinterfläche der Frontlinse 1 reflektiert, von wo aus das Licht
zurückreflektiert wird durch den durchbohrten Manginspiegel 2, in dessen Bohrung vorzugs
weise die Sammellinse 3 angeordnet ist, von wo aus das Licht auf die Bildebene 4 gelangt.
Ausführungsbeispiel 1 gibt nun ein erfindungsgemäßes Objektiv dessen 3 Elemente aus BK7
bestehen. Es weist eine freie Öffnung von 200 Millimeter und die Öffnungszahl 3 auf und da
mit 600 Millimeter Brennweite. Mit einem verfügbaren Okular von 4 Millimeter Brennweite
ergibt sich eine 150-fache Vergrößerung, die bereits gestattet das theoretische Auflösungsver
mögen annähernd auszuschöpfen. Insofern ist es notwendig Gleichung [1] für den Achsen
punkt streng einzuhalten. Erreicht wurde ein axialer Durchmesser des Zerstreuungsscheibchen
von 3,3 Mikrometer im spektralen Bereich von 400-700 Nanometer. Im selben Bereich ergibt
sich am Rande eines Bildfeldes, das einem Objektfeld von 4 Grad Durchmesser entspricht ein
Zerstreuungsscheibchen von 8 Mikrometer, wobei mehr als 90 Prozent in einem Scheibchen
von 4 Mikrometer Durchmesser konzentriert sind. Fig. 2 zeigt die Spotdiagramme für 0; 1; 2; 3
und 4 Grad Objektfelddurchmesser. Die axiale Wellenfrontaberration liegt unter 1/8 Wellen
länge im Bereich von 400 bis 700 Nanometer Wellenlänge. Damit ist die Abbildungsqualität
axial beugungsbegrenzt und auf dem außeraxialen Bildfeld zumindest detektorlimitiert.
Nachfolgende Tab. 1 gibt die Konstruktionsdaten des Ausführungsbeispiels 1.
Radien, die hohl gegen das einfallende Licht sind, weisen negatives Vorzeichen und Radien, die
erhaben gegen das einfallende Licht sind, positives Vorzeichen auf. Die Abstände sind absolut
gegeben. Die Richtungsumkehr ist durch Spiegel charakterisiert. BK7 ist ein Glas des Schott
kataloges mit der Glaskennzahl 517 642.
Die Bildebene weist einen Durchmesser von 42,05 Millimeter auf
Ausführungsbeispiel 2 gibt ein Objektiv höchstmöglicher Einfachheit. Alle 3 Elemente beste
hen aus BK7 und weisen gleiche Mittendicke auf. Die Linsenscheitel des Manginspiegels und
der Sammellinse fallen zusammen, sodaß nur ein Abstand zwischen den 3 Elementen besteht.
Weiterhin stimmen die Krümmungsradien der Vorderfläche der Frontlinse und der reflektie
renden Fläche des Manginspiegels überein, womit sich Herstellung und Prüfung vereinfacht.
Das Objektiv weist eine freie Öffnung von 250 Millimeter und eine Brennweite von 1000
Millimeter entsprechend der Öffnungszahl 4 auf. Das Objektfeld von 3,6 Grad Durchmesser
wird auf ein Bildfeld von 63 Millimeter Durchmesser abgebildet.
Die Wellenfrontaberrationen im axialen Bildpunkt betragen für 400 Nanometer Wellenlänge
0,065 Wellen; für die Wellenlänge 550 Nanometer 0,096 Wellen und für die Wellenlänge 700
Nanometer 0,038 Wellenlängen. Man sieht, daß das Rayleigh-Kriterium deutlich unterschrit
ten wird. Bis zu 2,5 Grad Durchmesser bleiben die Wellenfrontaberrationen unter 1/4 Wellen
länge gelbgrünen Lichtes. Damit ist das Objektiv als beugungsbegrenztes Fernrohrobjektiv bis
zu 600 Millimeter Durchmesser einsetzbar. Als Kameraobjektiv ist es bei dem Durchmesser von
250 Millimeter auf dem gesamten Objektfeld beugungsbegrenzt. Hierzu zeigt Fig. 3 die Spot
diagramme für 0; 1,2; 2,4 und 3,6 Grad Objektfelddurchmesser. Der Kreis symbolisiert wiede
rum das Beugungsscheibchen - die Airy-disk - für die Wellenlänge 550 Nanometer.
Strahlen wurden durchgerechnet für die Wellenlängen 400; 450; 500; 550; 600; 650 und 700
Nanometer. Man erkennt, daß nahezu alle Strahlen innerhalb der Airy-disk liegen.
Der Durchmesser des axialen Spotdiagramms für den Wellenlängenbereich 400 bis 700 Nano
meter beträgt 2,96 Mikrometer. Der maximale Durchmesser des Spotdiagramms auf dem
Objektfeld von 3,6 Grad Durchmesser beträgt 5,88 Mikrometer.
Nachfolgende Tab. 2 gibt die Konstruktionsdaten dieses Ausführungsbeispiels.
Für absolut kleinere Objektive kann die Öffnungszahl weiter verringert werden, ohne daß die
Zerstreuungsscheibchen größer werden als das zugehörige Beugungsscheibchen.
Allerdings stellt die Anpassung von konventionellen Spiegelreflexkameras wegen der dann zu
kurzen letzten Schnittweite ein Problem dar. Dieses Problem war ja der Ausgangspunkt für
E. Wiedemann aus der Druckschrift DE 29 29 678.4 Objektive nach der Druckschrift DE 31
21 044 abzuleiten, allerdings mit den geschilderten Problemen der reduzierten Bildqualität.
Stand der Technik sind zum gegenwärtigen Zeitpunkt sowohl in der astronomischen For
schung für Langzeitbelichtungen als auch in der Videografie für Kurzzeitbelichtungen CCD-
Empfänger. Es ist zu erwarten, daß auch in der Fotografie konventionelle Filme mehr und
mehr durch CCD′s ersetzt werden. Dadurch bedingt wird es nicht mehr notwendig sein die
letzte Schnittweite relativ groß zu halten, da der Klappspiegelmechanismus durch einen
elektronischen Sucher ersetzt wird.
Ausführungsbeispiel 3 gibt ein Objektiv mit der Öffnungszahl 1,25 und 80 Millimeter freier
Öffnung und somit 100 Millimeter Brennweite. Wie in Ausführungsbeispiel 1 und 2 sind alle 3
Elemente des Objektives aus BK7 gefertigt. Das Objektiv ist ausgelegt für die Übertragung ei
nes Objektfeldes von 10 Grad Durchmesser. Für den Durchmesser des sinnvoll übertragbaren
Objektfeldes gilt für erfindungsgemäße Objektive wie auch Objektive nach Druckschrift 1
folgende Beziehung:
Durchmesser in Grad = 12 bis 15 Grad/N, [2]
wobei N die Öffnungszahl des Objektivs bezeichnet.
Die Werte, die in Druckschrift 1 gegeben werden, sind zu hoch und aus rein mechanischen
Gründen, bedingt durch dann bereits vollständige Vignettierung, nicht realisierbar.
Der Durchmesser des Bildfeldes beträgt 17,8 Millimeter. In dieses kann als Empfänger eine
CCD entsprechender Dimension eingebracht werden.
Die geringe letzte Schnittweite von 2,652 Millimeter ist nun kein Hindernis mehr, da die Fo
kussierung elektromechanisch erfolgen kann und ein Klappspiegel wie in einer Spiegelreflex
kamera entfällt. Aus Tab. 3 gehen die Konstruktionsdaten des Ausführungsbeispiels 3 hervor.
Fig. 4 zeigt die Spotdiagramme für Durchmesser des Objektfeldes von 0; 2; 4; 6; 8; und 10
Grad. Strahlen wurden durchgerechnet für die Wellenlängen 400; 450; 500; 550; 600; 650 und
700 Nanometer. Der Durchmesser der Spotdiagramme beträgt auf der Achse 11,6 Mikrometer
und am Rande des Objektfeldes 37,3 Mikrometer. Fig. 5 zeigt eine Veranschaulichung dieses
Ausführungsbeispiels.
Insgesamt wird mit dem erfindungsgemäßen Objektiv ein erheblicher technischer Fortschritt
erreicht, der in der Verbesserung der Abbildungsqualität und der möglichen Verwendung ein
heitlicher, billiger Glassorten liegt. Das erfindungsgemäße Objektiv kann über seinen Einsatz
als leichtgewichtiges Objektiv für die konventionelle Fotografie oder Videografie hinaus auch
als Fernrohrobjektiv oder als hochwertige Astrokamera eingesetzt werden.
Dabei übertrifft es als Fernrohrobjektiv in der Farbkorrektion selbst wesentlich lichtschwäche
re Refraktortripletts mit Fluoritoptik oder Schmidt-Cassegrain-Systeme. Gleichzeitig bietet es
ein völlig ebenes, hochkorrigiertes Bildfeld, wobei die Abbildungsqualität einer äquivalenten
Schmidtkamera bei gleicher Öffnungszahl und freier Öffnung und bei gleichem Durchmesser
des Objektfeldes erreicht wird. Zudem ist in beiden Fällen die Baulänge des erfindungsgemä
ßen Objektivs wesentlich geringer. Sämtliche Flächen sind rein sphärisch ausbildbar - können
jedoch zur weiteren Verfeinerung der Abbildungsqualität auch asphärisch ausgebildet werden,
wobei dies im allgemeinen nicht notwendig sein wird, jedoch zum Schutzbereich des erfin
dungsgemäßen Gegenstandes zugehörig ist.
Natürlich kann das erfindungsgemäße Objektiv auch aus mehreren, verschiedenen Glassorten
aufgebaut werden. Mit Ausnahme der Verwendung sehr teurer und empfindlicher Gläser läßt
sich jedoch im allgemeinen keine weitere Steigerung der Abbildungsqualität erzielen.
Auch ist es möglich die Bohrung im Manginspiegel zu vermeiden und durch Aufkitten jeweils
einer Sammellinse auf die Vorderfläche und einer Zerstreuungslinse auf die Hinterfläche des
zentralen Teil des Manginspiegels die Sammellinse darzustellen. Allerdings ist dann die Innen
fokussierung, bei der die Sammellinse verschoben wird, nicht mehr möglich. Als Vorteil ergibt
sich eine vereinfachte Justierung des Objektives, da nun nur noch quasi zwei Elemente gegen
einander ausgerichtet werden müssen.
Claims (6)
1. Katadioptrisches Objektiv, in Richtung der Lichtbewegung gesehen, bestehend aus einer
sammelnden Frontlinse, einem Manginspiegel und einer Sammellinse, wobei der zentrale Teil
der Frontlinse auf der dem Manginspiegel und der Sammellinse zugewandten Seite verspiegelt
ist, dadurch gekennzeichnet,
daß die Frontlinse und die Sammellinse konvexkonkav ausgebildet sind.
2. Objektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Frontlinse, der Manginspiegel und die Sammellinse aus dem gleichen optischen Mate
rial bestehen.
3. Objektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die konvexkonkave Sammellinse eine oder mehrere Kittflächen enthält.
4. Objektiv nach den Ansprüchen 1 oder 2 und 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die konvexkonkave Sammellinse Bestandteil des Manginspiegels ist, wobei die Sammel
linse durch Aufbringen einer Sammellinse auf die Vorderfläche und einer Zerstreuungslinse
auf die Hinterfläche des Manginspiegels ausbildbar ist, wobei die Bohrung im Manginspiegel
entfällt.
5. Objektiv nach den Ansprüchen 1 oder 2 und 3 und 4, dadurch gekennzeichnet,
daß der Krümmungsradius der konvexen Vorderfläche der Frontlinse und der Krümmungsra
dius der reflektierenden Fläche des Manginspiegels dem Betrage nach übereinstimmen, wobei
die Herstellung und Prüfung des Objektives vereinfacht wird.
6. Objektiv nach den Ansprüchen 1 oder 2 und 3 und 5, dadurch gekennzeichnet,
daß ein gegen die optische Achse geneigter Planspiegel in den Strahlengang eingebracht wird,
der vom Manginspiegel kommendes Licht auf die Sammellinse reflektiert, wobei diese vor
zugsweise seitlich außerhalb des eigentlichen optischen Tubus angeordnet ist und wobei die
Halterung des Planspiegels vorzugsweise mit der Hinterfläche der Frontlinse verkittet ist.
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8364 | No opposition during term of opposition | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |