DE4429377A1

DE4429377A1 - Katadioptrisches Objektiv

Info

Publication number: DE4429377A1
Application number: DE19944429377
Authority: DE
Inventors: Frank Gallert
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-08-12
Filing date: 1994-08-12
Publication date: 1996-02-15
Anticipated expiration: 2014-08-13
Also published as: DE4429377C2

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

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.

Tabelle 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

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.

Tabelle 2

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

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.

Tabelle 3

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

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.