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Die vorliegende Erfindung betrifft einen variablen
Kompensator von sphärischen Aberrationen verschiedener
Ordnungen zur Überprüfung der Oberflächenform eines
asphärischen Spiegels und seine Anwendung.
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Die präzise Ausführung einer etwas großen optischen
Oberfläche, zum Beispiel eines Teleskopspiegels, wird nie
automatisch erreicht; es ist immer eine durch optische
Prüfungen geleitete und kontrollierte Arbeit der lokalen
Nachbesserung nötig, um die praktische Vermengung der
Mediankrümmung mit der ihm durch die Berechnung aufgezwungenen
Form herbeizuführen.
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Eine klassische Technik zur Herstellung eines
asphärischen Spiegels besteht darin, einen ungefähr sphärischen
Spiegel herzustellen und davon Material abzunehmen, bis man die
gewünschte asphärische Form erhält.
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Es ist nötig zu prüfen, ob diese Materialabnahme
keine Fehler, wie Astigmatismus, Krümmungsdeformation und
Fehler im Bereich hoher Frequenzen, während der
fortschreitenden Asphärisation erzeugt.
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Diese Kontrolle ist möglich, indem man einen
sphärischen Aberrations-Kompensator verwendet, der fähig ist,
der Asphärisationsarbeit des Optikers in fortschreitender Weise
zu folgen und das von der Form benachbart zu der Sphäre, von
der die Asphärisation ausgeht, bis zu der erforderlichen
asphärischen Form.
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Der Kompensator ist ein, auf der Bahn der durch eine
punktuelle Lichtquelle emittierten und durch den Spiegel
refrektierten Strahlen, angeordnetes Linsensystem, um eine
Aberration zu erzeugen, die derjenigen entgegengesetzt ist,
welche die Berechnung für den Spiegel angibt, den man
herstellen will.
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Die Nachbesserung des Spiegels wird so ausgeführt,
daß man eine stigmatisches Endbild erhält.
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Das Prinzip der Kompensation ist seit langam bekannt
und man kann zum Beispiel in dem Artikel "Prüfungsverfahren
eines konkaven, nicht-sphärischen Spiegels" von A. COUDER
(Revue d'optique théorique et instrumentale, Februar 1927)
verweisen.
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Es ist bekannt, daß man den Abstand der Linsen des
Kompensators im Punkt der Quelle variieren lassen muß, um dem
Fortschreiten der Asphärisation zu folgen.
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Bis jetzt, und aus mehreren Gründen, konnten die
variablen Kopensatoren (Kopensatoren von R. S. Hilbert und M.
P. RIMMER, Kompensatoren von r. SHAFER) nicht mit Spiegeln von
kleiner Ausdehnung und kleiner Öffnung verwendet werden, F/4
ist allgemein das Maximum.
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Um das Fortschreiten der Aspherisation eines großen
Spiegels, sei es typischerweise ein Spiegel, dessen Öffnungzahl
in der Größenordnung von F/1,7 bis F/2 und dessen Durchmesser
in der Größenordnung von 4 bis 8 m liegt, zu kontrollieren, ist
es nötig, die höheren sphärischen Aberrationsordnungen, von der
fünften bis zur siebten Ordnung, kontinuierlich kompensieren zu
können.
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Man weiß höhere Ordnungen mit Hilfe eines
Kompensators mit zwei Linsen zu kompensieren (Artikel "A null
Correctur for Paraboloid Mirrors" von Abe OFFNER in Applied
Optics, fev. 1983, Vol. 2, Nr. 2), aber dieser Kompensator ist
nicht variabel und erlaubt es folglich nicht, dem Fortschreiten
der Asphärisation zu folgen.
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen variablen
Kompensator, der fähig ist, die höheren Ordnungen der
sphärischen Aberration zu kompensieren und es erlaubt, dem
Fortschreiten der Asphärisation eines asphärischen Spiegels
großer Öffnung und großen Durchmessers, besonders der
Herstellung eines Teleskop-Spiegels, zu folgen.
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Der Kompensator der Erfindung, der eine verstellbare
Linsengruppe umfaßt, wird dadurch gekennzeichnet, daß er auch
eine feste Linsengruppe umfaßt, und die zwei Gruppen dieselbe
optische Achse besitzen und in Distanz zueinander angeordnet
sind, und die feste Gruppe eine erste Linse besitzt, die
benachbart des Krümmungsmittelpunktes des Spiegels angeordnet
ist, das heißt in der Brennfläche der sphärischen Aberration
des Spiegels, und dazu bestimmt ist, die Korrektur der höheren
Aberrationsordnungen zu erleichtern, wobei dieser Linse eine
zweite Linse folgt, deren Form (leichte Krümmung) dazu bestimmt
ist, die sphärische Aberration dritter Ordnung des Spiegels zu
kompensieren und deren Brechkraft so gewählt ist, daß der
Platzbedarf und das Reduktionsvermögen für höhere Ordnungen
bestmöglich optimiert werden, und daß die bewegliche Gruppe von
einem afokalen System aus drei Linsen gebildet wird, das so
berechnet ist, daß die Aberration kompensiert wird, die von dem
Spiegel erzeugt wird, wenn sein Asphärisationskoeffizient
zwischen -0,5 und -1 und darüber variiert.
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Im Betrieb ist die feste Gruppe zwischen der
beweglichen Gruppe und dem Krümmungszentrum des Spiegels
angeordnet, einer der Spiegel der festen Gruppe ist in
unmittelbarer Nachbarschaft zu besagtem Krümmungszentrum
angeordnet, und die bewegliche Gruppe wird der festen Gruppe in
dem Umfang angenähert, wie die Asphärisation fortschreitet.
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Die Form der Linsen wird unter anderem in
Abhängigkeit vom Brechungsindex des verwendeten Materials in
der bekannten Weise gewählt.
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Um einen Kompensator gemäß der Erfindung zu berechnen
kann man wie folgt vorgehen.
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Man beginnt damit, einen Kompensator zu berechnen,
der eine in der Brennfläche plazierte Linse und eine zweite
Linse, deren Form, berechnet in der dritten Ordnung, die
sphärische Aberration der dritten Ordnung des sphärischen
Spiegel kompensiert, wobei vorrausgesetzt wird, daß sie einen
Aberrationskoeffizienten von -0,5 hat, besitzt.
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Nach der Optimierung dieser Kombination mit einem
Asphärisationskoeffizienten des Spiegels von -0,5 fügt man die
drei Linsen der beweglichen Gruppe hinzu, indem man sie
benachbart zur zweiten Linse des festen Kompensators plaziert.
Die Gruppe dieser drei Linsen muß eine afokale Kombination
sein, damit die Umformung immer die Quelle und das davon
gegebene Bild überlagern läßt. Indem man diese Bedingungen den
Gegebenheiten der ausgehenden Optimierung aufzwängt, mit einem
zusätzlichen Wert von -1 als Asphärisationskoeffizienten des
Spiegels, wird das Endergebnis schnell erhalten.
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Im folgenden werden zwei an die vorliegende Erfindung
angepasste Kompensationsbeispiele beschrieben, bezogen auf zwei
Figuren der angefügten Zeichnung, wobei jede drei optische
Schemata des Kompensators entsprechend drei
Asphärisationsabschnitten des Spiegels zeigt.
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Der Kompensator der Figur 1 ist dazu bestimmt, im
nicht sichtbaren Licht in einer Kontrollvorrichtung, die ein
Interferometer benützt, dessen monochromatische Quelle S ein
Infrarot-Laser bei 10 Mikrometern ist, zu dienen.
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Der in der Figur 1 dargestellt Kompensator wird aus
zwei festen Linsen F&sub1;, F&sub2; und einer Gruppe von drei zusammen
verschiebbaren Linsen F&sub3;, F&sub4;, F&sub5; gebildet. Diese Linsen sind aus
Zinksulfid mit dem Index 2,200.
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Die Kennzeichen der Linsen des Kompensators,
Krümmungsradius, Dicke, Luftintervalle, sind in der folgenden
Tafel I angegeben, in der die Nummern der Oberflächen auf in
der Figur 1A angegebene entsprechende Markierungen verweisen.
TAFEL I
Oberfläche Nr.
Radius
Dicke des folgenden Milieus
Natur des folgenden Milieus
nützlicher Halbmesser
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In dieser Tafel, die in der Anordnung den in der
Figur 1A für einen Asphärisationskoeffizienten des Spiegels
gleich -,0547 dargestellten Linsen entspricht, ist die Distanz
zwischen der Linse F&sub3; der verschiebbaren Gruppe und der Linse
F&sub2; der festen Gruppe gleich 450 mm angegeben. Im Fall der Figur
1B, welche einem Asphärisationskoeffizienten gleich 0,7976
entspricht, ist diese Distanz gleich 300 mm, und in dem der
Figur 1C, welcher einem Asphärisationskoeffizienten von -1
entspricht, ist diese Distanz gleich 250 mm. Man könnte diese
Distanz noch verringern, wenn die Asphärisation anstiege.
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Der für die Berechnung von diesem Beispiel der
Ausführung der Erfindung in Betracht gezogene Spiegel ist ein
Spiegel von 8 Metern Durchmesser, 27 200 mm Krümmungsradius,
der eine Öffnung von F/1.7 hat und dessen
Asphärisationskoeffizient am Ende des Polierens gleich -1 sein muß.
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Für die verschiedenen Positionen der Gruppe der
Linsen, welche den Zoomeffekt sichern, ist die mittlere
quadratische Abweichung der erhaltenen direkten Welle L/150,
wenn der Asphärisationskoeffizient gleich -1, und L/60, wenn
dieser Koeffizient gleich -0,5 ist, wobei L= 10 Mikrometer. Die
Qualität dieser Korrektur zeigt deutlich, daß das System durch
die Brechung beschränkt ist, und ermöglicht schließlich die
Abschätzung der Fehler der Wellenoberfläche von 1/10 Streifen
auf dem Spiegel auf einen Fehler von 0,5 Mikrometer.
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Die Linsen sind aus Zinksulfid ausgeführt, welches
ein für die Wellenlänge von 10 µm, und ebenso für die
Wellenlängen des sichtbaren Spektrums, durchsichtiges Material
ist, was die Verwendung dieses Kompensators zur Kontrolle der
asphärischen Formung im polierten Stadium, und ebenso zu Beginn
des Polierens, ermöglicht.
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Dieses Beispiel ist nicht beschränkend, dieser
Kompensator kann natürlich auch aus anderen Materialien
hergestellt werden, um im sichtbaren Spektrum verwendet zu
werden.
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Der Kompensator der Figur 2 bildet präzise ein
Anwendungsbeispiel der Erfindung nach der Definition eines
Kompensators für den sichtbaren Bereich (Wellenlänge 632,8 nm).
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Die Linsen F'&sub1; bis F'&sub5; des Kompensators sind aus
Barium-Chrom (abgekürzt BC) mit dem Index 1,618 und ihre
Kennzeichen sind in der folgenden Tafel II angegeben, in der
die Nummern der Oberflächen auf in der Figur 2B angegebene
entsprechende Markierungen verweisen.
TAFEL II
Oberfläche Nr.
Radius
Dicke des folgenden Milieus
Natur des folgenden Milieus
nützlicher Halbmesser
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Der Wert 391,9605 der Tafel ist derjenige der
Distanz, welche die bewegliche Gruppe von der festen Gruppe
trennt, wenn der Asphärisationsgrad -0,67586 ist (Figur 2B). Im
Fall von Figur 1B ist dieser Wert 491,9605 für einen
Asphärisationsgrad von -0,54567 und im Fall der Figur 1C ist
dieser Wert 291,9605 für einen Asphärisationsgrad von -1.