DE69222466T2

DE69222466T2 - Optisches System aus refraktiven und diffraktiven optischen Elementen zur Korrektur chromatischer Aberrationen

Info

Publication number: DE69222466T2
Application number: DE69222466T
Authority: DE
Inventors: Chungte W Chen
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1991-06-06
Filing date: 1992-05-26
Publication date: 1998-05-07
Anticipated expiration: 2012-05-27
Also published as: EP0517409A1; ES2108088T3; US5148314A; DE69222466D1; JPH05157963A; EP0517409B1; IL101666A0; IL101666A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Alle optischen Systeme leiden an Abbildungsaberrationen. Die letztliche Qualität und das Verhalten eines optischen Systems werden durch das Ausmaß bestimmt, um das Aberrationen, insbesondere chromatische Aberrationen korrigiert werden. Bei der vorliegenden Erfindung wird gegenüber dem Stand der Technik eine signifikante Verbesserung erzielt, indem chromatische Aberrationen minimiert werden. Zusätzliche Vorteile werden dadurch erhalten, daß die Anzahl an optischen Elementen reduziert wird, die notwendig ist, um äquivalente oder überlegene Ergebnisse zu erreichen.
Die vorliegende Erfindung betrifft generell eine verbesserte Struktur für Anordnungen von optischen Systemen, in denen brechende bzw. refraktive und beugende bzw. diffraktive optische Elemente vorteilhaft miteinander kombiniert werden, um hinsichtlich der chromatischen Aberration eine signifikante Verbesserung zu erreichen. Die verschiedenen charakteristischen Eigenschaften dieser zwei Arten von optischen Elementen werden ausgelöscht, indem diese Eigenschaften geeignet einander gegenübergestellt und ausgeglichen werden, um eine bislang nicht erzielbare Abbildungsqualität zu erreichen.
Im Stand der Technik sind achromatische Linsenanordnungen mit mäßigem Erfolg seit der Zeit von Isaac Newton verwendet worden. Bei diesen Achromaten werden zwei optische Elemente (eines mit positiver Stärke bzw. Vergrößerungskraft und eines mit negativer Stärke bzw. Vergrößerungskraft), die aus gewöhnlichen Glasmaterialien (z.B. Kron- und Flintglas) mit unterschiedlichen Streueigenschaften hergestellt sind, miteinander kombiniert, um die Nettowirkungen chromatischer Aberration zu reduzieren. Auf das grundlegende Problem der Korrektur von chromatischer Aberration ist sowohl hinsichtlich der Verfahren als auch der Materialien ein immer mehr ansteigendes technisches Raffinement angewendet worden, und leistungsfähige Berechnungsverfahren in Kombination mit der Entwicklung von speziellen Glasmaterialien haben zu signifikanten Verbesserungen geführt. Für einen derartigen Aufwand ist es jedoch typisch, daß immer kleinere inkrementelle Fortschritte bei kontinuierlich ansteigenden Kosten erzielt werden.
In Beispielen des direkten Standes der Technik ist die Verwendung von binären Optiken vorgeschlagen worden (Dokument 1), um eine axiale chromatische Aberration in einem optischen Infrarotsystem zu korrigieren, und um (Dokument 2) eine primäre laterale chromatische Aberration eines Erfle-Okulars zu korrigieren, ohne dessen sekundäre chromatische Aberration zu verschlimmern.
Dokument 1 ist ein Aufsatz von Gary J. Swanson und Wilfred B. Veldcamp, SPIE Proceedings, Band 885, Aufsatz # 22, 1988. Swanson und Veldcamp schlagen die Verwendung von binären Optiken vor, um eine axiale chromatische Aberration zu korrigieren. Bei binären Optiken wird die funktionale Wirkung eines Gitters mit Vertiefungen erreicht, die mittels eines typischen Herstellungsprozesses geätzt werden, der auf dem Gebiet der Mikroelektronik eingesetzt wird. Das System von Swanson und Veldcamp hat erhebliche Nachteile, da sich mit einem Anstieg der numerischen Apertur ein deutlicher Sphärochromatismus zeigt. Demzufolge ist die minimal verwendbare Lichtstärke bzw. der minimal verwendbare Blendenwert erheblich eingeschränkt. Diese Einschränkung ist insbesondere unglücklich, wenn bei fortgeschrittenen optischen Infrarotsystemen, die hohe Lichtstärken bzw. niedrige Blendenwerte (typischerweise f/1,0 bis f/1,5) erfordern, zu einer Reduktion von Größe und Gewicht beigetragen werden soll.
Dokument 2 ist von D. Shafer und T. McHugh der Perkin- Elmer Corporation: "Binary Optics Design Surprises for the 1990's", SPIE, Orlando, Florida (März 1989). Binäre Optiken werden dazu verwendet, die laterale chromatische Aberration eines Erfle-Okulars zu korrigieren, ohne die sekundäre chromatische Aberration zu verschlimmern. Unglücklicherweise ist der Ansatz von Shafer und McHugh nur auf Systeme mit einer niedrigen numerischen Apertur (hoher Blendenwert) und bescheidene Blickfelder anwendbar, was für ein Erfle-Okular charakteristisch ist. Wenn die Aperturblende aufgemacht wird, werden Sphärochromatismus, chromatisches Koma, axiale Primärfarbe und axiale Sekundärfarbe deutlich verschlimmert. Auf ähnliche Weise werden mit einem Anstieg des Blickfeldes chromatische Verzerrung und chromatisches Koma beträchtlich verschlimmert.
Die DE-A-34 21 705 beschreibt die Kombination von wenigstens einem Linsenelement und einem Hologramm. Diese kann sphärische und chromatische Aberrationen korrigieren, nicht jedoch sekundäre chromatische Aberrationen.
Die EP-A-367241 beschriebt eine beugende abbildende Linse zur Korrektor von verschiedenen optischen Variationen, ist jedoch als monochromatisch beschrieben.
Die EP-A-441206 (zitiert als unter Article 54(3) EPÜ fallend) beschreibt ein optisches Element mit asphärischen und binären Gitteroberflächen zum Eliminieren von optischen Aberrationen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung, wie sie nachstehend in Anspruch 1 angegeben ist, besitzt viele wichtige und neue Merkmale. Viele Nachteile des Standes der Technik werden erheblich vermindert oder eliminiert, wie jene, die mit dem Blendenwert und dem Blickfeld einhergehen. Einige Arten von chromatischer Aberration werden korrigiert einschließlich axial primär, axial sekundär, lateral primär und lateral sekundär. Die Korrektur wird für alle Größenordnungen von Sphärochromatismus, chromatischem Koma und chromatischer Verzerrung bereitgestellt. In den Spektralintervallen zwischen den drei ausgewählten Konstruktionswellenlängen werden chromatischen Restaberrationen deutlich reduziert.
Zusätzlich ist ein neues Verfahren offenbart zum Korrigieren einer Feldkrümmung für alle Größenordnungen, ohne laterale chromatische Aberrationen einzuführen. Da es nicht notwendig ist, Elemente aus speziellem optischen Glas zu verwenden, werden die Kosten verringert, und es wird ein beträchtliches Widerstandsverhalten gegenüber einem Strahlungsschaden erhalten. Schließlich werden die Kosten, die Größe und das Gewicht reduziert, da diese Verbesserungen mit weniger optischen Elementen in der optischen Struktur erreicht werden.
Die Verwendung dieser Erfindung wird die Abbildungsqualität von optischen Systemen sowohl vom brechenden als auch vom katadioptrischen Typ deutlich verbessern und wird sich auf Wellenlängenbereiche anwenden lassen, die vom Ultravioletten bis zum Infraroten reichen. Die für axiale chromatische Aberration, axiale sekundäre Farbe und Sphärochromatismus offenbarte Struktur ist für Teleobjektiv-Systeme gut geeignet. Die Struktur, die zur Korrektur von lateraler chromatischer Aberration, sekundärer lateraler Farbe, chromatischer Verzerrung und chromatischem Koma offenbart ist, ist besonders wirksam für optische Systeme, die externe Pupillen einsetzen. Die zur Korrektur einer Feldkrümmung ohne Verschlimmerung der lateralen chromatischen Aberration offenbarte Struktur ist besonders brauchbar für optische Systeme mit weiten Blickwinkeln bzw. Blickfeldern und für Systeme, die Objektive vom Petzval-Typ einsetzen.
Die beträchtlichen Vorteile dieser Erfindung werden durch die Verwendung von sorgfältig ausgewählten Kombinationen und Verteilungen von brechenden und beugenden Optiken erreicht, die so verwendet werden, daß sich ergebende Nettowirkungen der Aberration wesentlich verringert werden, und zwar in Relation zu dem Fall, der mit der ausschließlichen Verwendung von brechenden optischen Komponenten erreicht werden kann.
Wie wertvoll es ist, optische Strukturen unter Verwendung dieser Erfindung zu bilden, wird anhand von Beispielen von typischen Wellenlängen-Antwortverhalten demonstriert. Chromatische Aberrationen ergeben sich aus den variierenden charakteristischen Antwortverhalten als Funktion der Wellenlänge für das optische Element. Ein wichtiges Beispiel ist die Veränderung der Brennweite entlang der Zentralachse. Bei einem typischen Glas-Achromat nimmt man an, daß die wirksame Brennweite (EFL) als Funktion der Wellenlänge einen minimalen Wert in der Nähe des zentralen Wellenlängenbereiches zeigt, über den der Glas- Achromat arbeitet. Andererseits zeigt eine entsprechende EFL eines typischen glas-beugenden Achromats einen Maximalwert in der Nähe von dessen zentralem Wellenlängen-Betriebsbereich. Wie nachstehend erläutert wird, können diese charakteristischen Aberrationen mit entgegengesetztem algebraischen Sinn aneinander angepaßt werden, so daß sie sich im wesentlichen gegenseitig auslöschen, um die gesamte chromatische Aberration in der vollständigen Linsenstruktur zu reduzieren. Schließlich haben die speziellen optischen Gläser, die eliminiert werden, wenigstens zwei Nachteile: Sie sind teurer und besitzen ein wesentlich geringeres Widerstandsverhalten gegenüber Beschädigungen durch Strahlung.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Die Vorteile und die neuen Merkmale der offenbarten Erfindung ergeben sich Fachleuten in leichter Weise aus der nachstehenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung.
Fig. 1 stellt eine typische herkömmliche achromatische Linse (glas-brechend) dar, die eine Anordnung oder Struktur aus zwei brechenden optischen Elementen einsetzt. Ein positives Element aus Kron-Glas und ein negatives Element aus Flint-Glas werden verwendet;
Fig. 2 stellt einen typischen glas-beugenden Achromaten dar, dessen Verwendung für diese Erfindung wichtig ist. Die Anordnung oder Struktur besteht aus einem herkömmlichen brechenden optischen Element oder einer solchen Linse, das bzw. die entweder aus Flint- oder aus Kron-Glas hergestellt ist, wobei auf wenigstens eine Oberfläche dieses Elementes oder dieser Linse ein beugendes Element (z.B. ein Gitter oder eine Fresnel- Zonenplatte) aufgebracht, angebracht oder geformt ist;
Fig. 3 zeigt typische Kurven von wirksamen Brennweiten (EFL) als Funktion der Wellenlänge für zwei grundlegende optische Strukturen der Art, wie sie in den Fig. 1 und 2 dargestellt sind; die obere Kurve zeigt einen glas-brechenden Achromat; die untere Kurve einen glas-beugenden Achromat;
Fig. 4 ist ein allgemeines schematisches Diagramm, das zwei typische optische Strukturen für eine Okularlinse darstellt; es sind sowohl die Struktur einer herkömmlichen Linse als auch einer vergleichbaren Linse gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt;
Fig. 5 ist ein generelles schematisches Diagramm, das zwei typische optische Strukturen für eine Petzval-Linse bzw. ein Petzval-Objektiv darstellt, das in diesem Beispiel eine interne Pupille hat. Sowohl eine herkömmliche Linse als auch eine äquivalente Linse gemäß der vorliegenden Erfindung sind gezeigt;
Fig. 6 ist ein generelles schematisches Diagramm, das zwei typische optische Strukturen für eine Linse mit einer externen Pupille und einer großen Apertur darstellt; sowohl eine herkömmliche Linse als auch eine vergleichbare Linse gemäß der vorliegenden Erfindung sind gezeigt;
Fig. 7 ist ein generelles schematisches Diagramm, das zwei typische optische Strukturen für ein Tele-Objektiv darstellt; es sind die Strukturen für sowohl ein herkömmliches Objektiv als auch für ein äquivalentes Objektiv gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt;
Fig. 8 stellt zwei typische, gut konstruierte optische Strukturen für eine Petzval-Linse mit einer externen Pupille dar; Fig. 8a ist eine herkömmliche Struktur mit zehn brechenden optischen Elementen; Fig. 8b ist eine vergleichbare glasbeugende Struktur gemäß der vorliegenden Erfindung und erfordert sechs brechende optische Elemente zuzüglich zweier beugender Elemente;
Fig. 9 zeigt die H tan U Kurven optischen Verhaltens für die herkömmliche glas-brechende Linse, die in Fig. 8a gezeigt ist;
Fig. 10 zeigt die H tan U Kurven optischen Verhaltens für die vergleichbare glas-beugende Linse, die in Fig. 8b gezeigt ist;
Fig. 11 zeigt die MTF-Verhaltenskurven für die herkömmliche Linse vollständig aus Glas, die in Fig. 8a gezeigt ist;
Fig. 12 zeigt die MTF-Verhaltenskurven (Modulationtransferfunktionen) für die glas-beugende Linse, die in Fig. 8b gezeigt ist;
Fig. 13 zeigt eine glas-beugende Struktur für ein Petzval- Objektiv ähnlich jenem der Fig. 8b, jedoch mit einem verringerten Blendenwert von f/2,5. Es sind sechs brechende Elemente zuzüglich zweier beugender Elemente erforderlich; und
Fig. 14 zeigt die H tan U Kurven optischen Verhaltens für das in Fig. 13 gezeigte glas-brechende Objektiv.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER OFFENBARUNG

In der folgenden detaillierten Beschreibung und in den diversen beigefügten Figuren sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugsziffern versehen.
Um eine gute Abbildungsqualität zu gewährleisten, erfordern typische optische Systeme hoher Qualität geeignete Korrekturen von chromatischen Aberrationseffekten. Diese Aberrationen umfassen primäre axiale Farbe, primäre laterale Farbe, sekundäre axiale Farbe und sekundäre laterale Farbe. Bei der primären Korrektur wird eine geeignete Korrektur nur bei zwei bestimmten Konstruktionswellenlängen innerhalb des spektralen Betriebsintervals erzielt. Bei der sekundären Korrektur wird eine geeignete Korrektur bei drei bestimmten Konstruktionswellenlängen erreicht. Aberrationen der primären axialen Farbe und der primären lateralen Farbe werden gewöhnlich korrigiert durch Verwendung von entweder verketteten bzw. verklebten oder luftbeabstandeten Achromaten.
Eine sekundäre Farbkorrektur hat sich jedoch im Stand der Technik als schwierig erwiesen. Eine solche Korrektur erfordert generell die Verwendung von teuren, speziellen Glasmaterialien. Die Brauchbarkeit von speziellen Glasmaterialien ergibt sich aus deren ungewöhnlichen Eigenschaften hinsichtlich des Brechungsindex als Funktion der Wellenlänge verglichen mit herkömmlichen Glasmaterialien. Einige Beispiele solcher speziellen Gläser sind KZFS1, KZFSN2, KZFSN5 und LGSK2. Diese speziellen Gläser werden benötigt, da sich im Falle der Verwendung von normalen Gläsern zum Aufbau eines Achromaten sekundäre Farbbeiträge (mit demselben algebraischen Sinn) aus den zwei Elementen zueinander addieren.
Die mit dieser Erfindung erzielbaren, beträchtlichen Vorteile ergeben sich aus dem Zusammenbau und der Kombination von zwei Arten von optischen Elementen mit verschiedenen (d.h. mit entgegengesetztem algebraischem Sinn) spektralen Eigenschaften und chromatischen Aberrationsbeiträgen innerhalb von Strukturen, die hierdurch bemerkenswerte Verbesserungen bei den Nettowirkungen chromatischer Aberration gegenüber Ansätzen zeigen, die im Stand der Technik verwendet werden. Diese Verbesserungen ergeben sich aus dem geeigneten Anordnen und Festlegen von optischen Elementen relativ zueinander zuzüglich einer geeigneten Verteilung der optischen Stärke dieser Elemente über die Struktur, um die chromatischen Aberrationsbeiträge von jedem optischen Element der zwei Arten von optischen Elementen im wesentlichen auszulöschen.
Ein glas-beugendes Element umfaßt wenigstens zwei Abschnitte bzw. Teile. Ein Abschnitt wirkt brechend und enthält wenigstens ein brechendes Element. Der zweite Abschnitt wirkt beugend und enthält wenigstens ein beugendes Element. Der beugende Abschnitt wird auf den brechenden Abschnitt aufgebracht, darauf ausgebildet oder auf andere Art und Weise diesem brechenden Abschnitt physikalisch zugeordnet. Beugende Elemente können einige physikalische Formen einnehmen, alle Formen funktionieren jedoch auf der Grundlage der Gittergleichung:
sin A = nL/d - sin I
mit der folgenden Notation:
A Beugungswinkel
I Einfallwinkel
L Wellenlänge
n Beugungsordnung
d Abstand von benachbarten Linien auf dem Gitter.
Beugende Elemente können kreisförmig sein (Fresnel- Zonenplatte), rechteckig sein oder jede andere geeignete Form besitzen. Sie können mit linierten Vertiefungen oder geätzten Linien gebildet sein. Sie können auch lodernd gebrannt bzw. glänzend bzw. mit einer Markierung versehen ("blazed") sein, um bei bestimmten Wellenlängen ein überlegenes Verhalten zu zeigen. Eine Form von geätzten beugenden Elementen, sogenannte binäre Optiken, sind für die Zwecke dieser Erfindung anwendbar.
Im Stand der Technik werden zwei Ansätze dazu verwendet, achromatische optische Anordnungen mit einer perfekten Korrektur bei drei ausgewählten Konstruktionswellenlängen zu versehen. Bei dem ersten Ansatz werden herkömmliche Glas-Achromaten durch Apochromaten ersetzt, die teuer sind. Ein Apochromat besteht aus wenigstens zwei brechenden optischen Elementen, von denen wenigstens eines aus einem speziellen optischen Glas hergestellt ist. Bei dem zweiten Ansatz werden mehr brechende optische Elemente in das System eingesetzt, um die optische Stärke zu verringern, die von jedem einzelnen Element gefordert wird. Unglücklicherweise werden optische Systeme bei diesen beiden Ansätzen komplizierter und leiden an räumlichen und chromatischen Aberrationen höherer Ordnung.
Bei der vorliegenden Erfindung werden diese grundlegenden Probleme gelöst, indem aus der Tatsache Nutzen gezogen wird, daß die zwei unterschiedlichen Typen von zuvor beschriebenen Achromaten, d.h. glas-brechend und glas-beugend, hinsichtlich ihrer sekundären axialen chromatischen Aberration einen entgegengesetzten algebraischen Sinn aufweisen. Eine geeignete Verteilung der optische Stärke auf glas-brechende und glas- beugende Achromaten kann gleichzeitig Beiträge von sowohl primärer als auch sekundärer axialer chromatischer Aberration korrigieren. Bei dieser Konstruktion sind spezielle Gläser, wie sie typischerweise im Stand der Technik verwendet werden, nicht notwendig.
Ein zusätzlicher Vorteil der kombinierten glas-beugenden Linsenstruktur liegt darin, daß die optische Stärke, die von jedem einzelnen optischen Element des Achromaten gefordert wird, verringert ist, jedoch auf eine unterschiedliche Weise gegenüber der Verwendung im Stand der Technik mit glasbrechenden Strukturen, d.h. nicht lediglich dadurch, daß mehr brechende Elemente eingeführt werden. Bei der vorliegenden Erfindung kann die von einzelnen Elementen geforderte optische Stärke reduziert werden, da in einem glas-beugenden Achromat nur Elemente (sowohl brechende als auch beugende) mit positiver optischer Stärke benötigt werden; bei einer glas-brechenden achromatischen Linse müssen sowohl positive als auch negative Elemente eingesetzt werden. Im Ergebnis erreichen Strukturen, die glas-beugende Elemente verwenden, wie es durch diese Erfindung vorgeschrieben ist, eine erhebliche Verbesserung der Petzval-Krümmung, hinsichtlich räumlicher Aberrationen höherer Ordnung und hinsichtlich chromatischer Aberrationen höherer Ordnung.
Eine weitere Anwendung der Erfindung besteht darin, glasbeugende Elemente zur Korrektur der primären lateralen Farbe einzusetzen. Wenn ein glas-beugendes Element mit einem sehr kleinen Betrag von primärer axialer chromatischer Aberration in der Nähe der Abbildungsebene verwendet wird, wird als Ergebnis des großen Verhältnisses von Hauptstrahlenhöhe zu Randstrahlenhöhe ein beträchtliches Maß an nützlicher primärer lateraler chromatischer Aberration eingeführt. Ein Hauptstrahl liegt an der Kante der Abbildung bzw. umgekehrt; der Randstrahl liegt in der Mitte der Abbildung. Obgleich eine herkömmliche Glasdublette bzw. ein herkömmlicher Glas-Zweilinser eine ähnliche Funktion ausübt, vereitelt deren Verwendung generell die Korrektur der Petzval-Krümmung und führt Aberrationen höherer Ordnung ein.
Ein zusätzlicher Vorteil dieser Erfindung besteht in der Verwendung von Kombinationen aus glas-beugenden Elementen zur Korrektur der chromatischen Verzerrung. Eine solche Korrektur bezieht sich auf den soeben beschriebenen Ansatz zum Einführen einer nützlichen bzw. förderlichen primären lateralen chromatischen Aberration. Wenn eine korrigierende asphärische Wellenfront höherer Ordnung (z.B. dritter Ordnung und höherer Ordnung) in dem beugenden Abschnitt des oben beschriebenen glasbeugenden Elementes codiert wird, können chromatische Verzerrungen aller Ordnungen gleichzeitig korrigiert werden. Eine solche Codierung wird bspw. dadurch erzielt, daß der Abstand zwischen Linien einer Fresnel-Zonenplatte als Funktion des Radius geeignet variiert wird.
Fig. 1 zeigt einen herkömmlichen glas-brechenden Achromaten mit zwei Elementen. Der Achromat besteht aus einer Anordnung aus einem Kron-Glaselement 2 mit positiver optischer Stärke und einem Flint-Glaselement 4 mit negativer optischer Stärke. Fig. 2 zeigt einen vergleichbaren glas-beugenden Achromaten, der aus einem herkömmlichen brechenden Element 6 mit positiver optischer Stärke und einem beugenden Element 8 mit ebenfalls positiver optischer Stärke zusammengebaut ist, wobei das beugende Element 8 auf das brechende Element aufgebracht oder darauf ausgebildet ist. Es ist wichtig zu bemerken, daß typische beugende Elemente außerordentlich dünn sind und in optischen Strukturen, die solche beugenden Elemente verwenden, nahezu keinen Raum einnehmen.
Fig. 3 stellt einige wichtige Unterschiede im Verhalten dieser zwei Achromaten dar, unter Einbeziehung der wirksamen Brennweite (EFL), die bei dieser Erfindung mit großem Vorteil ausgenutzt wird. Es läßt sich in dieser Figur erkennen, daß die EFL als Funktion der Wellenlänge für (a) einen typischen brechenden Glas-Achromat und (b) für einen typischen glas- beugenden Achromat eine deutlich unterschiedliche Form aufweist. Obwohl die vertikale Skala stark ausgedehnt ist, zeigt Fig. 3, daß bei einem typischen glas-brechenden Achromat eine minimale EFL in dem zentralen Wellenlängenbereich auftritt, wohingegen kürzere EFLs in die äußeren Wellenlängenbereiche gehören.
Dieser deutliche Unterschied im Verhalten ergibt sich aus den entgegengesetzten algebraischen Vorzeichen der zugeordneten Abbe-Zahlen von glas-brechenden Elementen und von beugenden Elementen. Die Abbe-Zahl ist definiert als (N2 - 1)/(N1 - N3). Die N-Werte beziehen sich auf den Brechungsindex, der entsprechenden Wellenlängen mit ansteigenden Werten L1, L2 und L3 zugeordnet ist. Da die Abbe-Zahl bzw. Abbe'sche Zahl bei jeder Art von Glas immer positiv ist, müssen die EFLs für zentrale Wellenlängen im Spektralbereich eines Glasachromaten kürzer sein als jene für äußere Wellenlängen. Es folgt, daß eine sekundäre axiale chromatische Aberration bei Verwendung einer Reihe von unterschiedlichen Glasachromaten nicht geeignet korrigiert werden kann.
Das bei dieser Erfindung eingesetzte, neue Verfahren zum Korrigieren der chromatischen Aberration besteht darin, den entgegengesetzten algebraischen Sinn zu nutzen, der zuvor in dieser Offenbarung für die sekundären axialen chromatischen Aberrationen dieser zwei unterschiedlichen Typen von Achromaten begründet wurde. Durch geeignetes Verteilen der optischen Stärke auf eine Vielzahl von Achromaten können sowohl primäre axiale als auch sekundäre axiale chromatische Aberrationen gleichzeitig korrigiert werden. Somit ist gezeigt worden, daß (1) keine Notwendigkeit nach optischen Elementen besteht, die aus speziellen Glasmaterialien hergestellt sind, wie es im Stand der Technik verlangt wird, und (2) die optische Stärke, die von jedem individuellen optischen Element der Achromaten gefordert wird, verringert ist. Weiterhin werden signifikante Verringerungen erzielt hinsichtlich der Petzval-Krümmung, Aberrationen höherer Ordnung und chromatischen Aberrationen höherer Ordnung.
Die Hauptvorteile dieser Erfindung gegenüber dem Stand der Technik werden mit Hilfe von vier generellen optischen Strukturen, die einen bedeutsamen Bereich von praktischen Anwendungen und Anwendungen hoher Qualität überspannen, schematisch dargestellt und beschrieben.
Fig. 4 stellt zwei generelle schematische Diagramme für Okular-Linsen dar. Fig. 4a zeigt ein typisches Okular, das eine herkömmliche Konstruktion verwendet. Fig. 4b zeigt ein vergleichbares Okular gemäß der Erfindung. Bei der herkömmlichen Struktur (Fig. 4a) enthält eine Linsengruppe 10 eine Vielzahl von brechenden Elementen mit insgesamt positiver optischer Stärke. Ein Auge 13 ist in der Nähe einer Aperturblende 14 am linken Ende einer optischen Achse 11 angeordnet; eine von dem Auge betrachtete Abbildung 12 ist am entfernten Ende der optischen Achse zur Rechten gezeigt.
Bei der Struktur von Fig. 4a ist es schwierig, gleichzeitig laterale Farbe, Verzerrungen, chromatische Verzerrungen und eine Feldkrümmung zu korrigieren. Weiterhin enthält diese Struktur mehr optische Elemente als die Struktur der Fig. 4b.
Bei der glas-beugenden Struktur der Fig. 4b enthält eine Linsengruppe 16 mit positiver optischer Stärke wenigstens ein brechendes optisches Element und wenigstens ein beugendes optisches Element. Bei diesem Beispiel ist ein beugendes Element 17 zwischen dem dritten und dem vierten brechenden Element der Linsengruppe 16 angeordnet. Es versteht sich, daß andere detaillierte Anordnungen und Festlegungen von optischen Elementen innerhalb der Linsengruppe 16 als die bei diesem Beispiel beschriebenen Anordnungen und Festlegungen mit der Erfindung übereinstimmen. Ein Auge 16 und eine Aperturblende 18 sind auf eine ähnliche Weise angeordnet wie im Beispiel der Fig. 4a. Ein Bild bzw. eine Abbildung 20, die von dem Auge betrachtet wird, ist am fernen Ende der optischen Achse 15 gezeigt. Bei dem schematischen Diagramm der Fig. 4b ist die deutlich kleinere Größe der Struktur gemäß der Erfindung im Vergleich zu der entsprechenden herkömmlichen Struktur offensichtlich. Bei dieser Okular-Struktur werden laterale Farbe, Verzerrungen, chromatische Verzerrungen und Feldkrümmung leicht korrigiert, indem ein einzelnes beugendes optisches Element eingesetzt wird. Die Struktur enthält weniger brechende optische Elemente und ist kompakter als die Struktur der Fig. 4a. Weiterhin ist die Augenentlastung ("eye relief") lang und das Blickfeld ist groß.
Fig. 5 stellt zwei generelle schematische Diagramme von Petzval-Linsen bzw. -Objektiven dar, die bei diesem Beispiel eine interne Aperturblende (auch Pupille genannt) enthalten. Jede dieser Strukturen verwendet drei Linsengruppen. Fig. 5a zeigt eine typische herkömmliche Struktur eines Petzval- Objektivs; Fig. 5b zeigt eine vergleichbare Struktur gemäß der Erfindung.
Bei der herkömmlichen Struktur enthält eine am linken Ende einer optischen Achse 23 angeordnete Eingangs-Linsengruppe 21 brechende Elemente mit insgesamt positiver optischer Stärke. Wenigstens ein Element (in diesem Beispiel bei 22 gezeigt) der Linsengruppe 21 besteht aus einem speziellen optischen Glas.
Eine Aperturblende 24 ist zur Rechten der Linsengruppe 21 angeordnet. Eine Linsengruppe 26 zur Rechten der Aperturblende besteht aus brechenden optischen Elementen mit insgesamt positiver optischer Stärke. Wenigstens ein brechendes Element (in diesem Beispiel als das dritte Element von links mit der Bezugsziffer 28 gezeigt) in der Linsengruppe 26 besteht aus einem speziellen optischen Glas. Das letzte optische Element auf der rechten Seite der optischen Achse ist eine Feldlinse 30. Eine Abbildung 32 wird am fernen rechten Ende der optischen Achse gebildet.
Bei der Struktur der Fig. 5a ist es wichtig zu bemerken, daß in der Linsengruppe 21, der Linsengruppe 26 oder in beiden Linsengruppen ein spezielles optisches Glas erforderlich ist. Die Aperturgröße ist begrenzt, da es ansonsten schwierig ist, gleichzeitig einen Sphärochromatismus und sekundäre Farbaberrationen zu korrigieren. Das Blickfeld ist beschränkt, da es ansonsten schwierig ist, gleichzeitig eine Feldkrümmung und laterale Farbaberrationen zu korrigieren. Schließlich ist diese Struktur größer als die Struktur der Fig. 5b, da mehr optische Elemente erforderlich sind.
Fig. 5b zeigt eine äquivalente typische Struktur eines Petzval-Objektivs, das die Prinzipien dieser Erfindung verwendet. Eine Eingangs-Linsengruppe 40 am linken Ende einer optischen Achse 41 enthält brechende Elemente mit insgesamt positiver optischer Stärke. Eine interne Aperturblende 42 ist zur Rechten der Linsengruppe 40 angeordnet. Eine Linsengruppe 44 zur Rechten der Aperturblende enthält in dieser Figur brechende optische Elemente und wenigstens ein beugendes optisches Element. Im Rahmen dieser Erfindung ist es alternativerweise möglich, daß wenigstens ein beugendes Element in entweder der Linsengruppe 40 oder der Linsengruppe 44 enthalten ist oder daß beugende Elemente in beiden Linsengruppen eingesetzt bzw. verwendet werden. Die optische Stärke der Linsengruppe 44 ist insgesamt positiv. Bei diesem Beispiel ist ein Element einer Linsengruppe D bzw. der Linsengruppe 44 ein beugendes Element (in der Figur das am weitesten rechts liegende Element 46). Es versteht sich, daß andere detaillierte Anordnungen und Festlegungen solcher brechenden und beugenden optischen Elemente der Linsengruppe 44 als die bei diesem Beispiel beschriebenen Anordnungen und Festlegungen sich im Rahmen der Erfindung befinden. Eine Feldlinsengruppe 48 liegt entlang der optischen Achse als nächstes zur Rechten und enthält brechende Elemente und wenigstens ein beugendes optisches Element. Bei diesem Beispiel ist ein Element der Feldlinsengruppe ein beugendes Element (als Element 50 auf der rechten Seite gezeigt). Eine Abbildung 51 wird zur Rechten der Feldlinsengruppe 48 gebildet.
Ein Vergleich der zwei Petzval-Objektive der Fig. 5 demonstriert die wesentlichen Vorteile, die aus der Verwendung der vorliegenden Erfindung erhalten werden. Bei der glas-beugenden Struktur der Fig. 5b sind weniger optische Elemente erforderlich und die Gesamtstruktur ist im Ergebnis kompakter. Sphärochromatismus und sekundäre Farbaberrationen können gleichzeitig bei geeignetem Einsatz von beugenden optischen Elementen in der Linsengruppe 40, der Linsengruppe 44 oder in beiden Linsengruppen korrigiert werden. Ein spezielles optisches Glas ist nicht notwendig. Die Aperturgröße ist größer als bei der herkömmlichen Struktur der Fig. 5a. Die Verwendung von wenigstens einem beugenden Element in der Feldlinsengruppe ermöglicht eine gleichzeitige Korrektur von sowohl der Feldkrümmung als auch der lateralen Farbe. Ein größeres Blickfeld wird als Ergebnis davon erhalten, daß eine bessere Korrektur von lateralen Farbaberrationen und der Feldkrümmung erreicht wird.
Fig. 6 zeigt zwei generelle schematische Diagramme von Linsen großer Apertur mit einer externen Pupille. Jede dieser Strukturen verwendet drei Linsengruppen. Fig. 6a zeigt eine herkömmliche Struktur und Fig. 6b zeigt eine vergleichbare Struktur gemäß der vorliegenden Erfindung.
Bei der typischen herkömmlichen Struktur der Fig. 6a ist eine Eingangs-Aperturblende 52 am linken Ende einer optischen Achse 53 angeordnet. Eine Linsengruppe 54 befindet sich rechts hiervon entlang der optischen Achse. Die Linsengruppe 54 enthält brechende optische Elemente mit insgesamt positiver optischer Staärke. Wenigstens ein Element in der Linsengruppe 54 ist aus einem speziellen optischen Glas hergestellt. Bei diesem Beispiel enthält die Linsengruppe 54 vier brechende Elemente und das dritte Element von links, das Element 56 in der Linsengruppe 54 ist aus einem speziellen optischen Glas hergestellt. Der illustrative Wert dieses Beispiels wird nicht dadurch beeinträchtigt, daß bei einer tatsächlichen Umsetzung diese Standes der Technik andere Anordnungen und Festlegungen solcher brechenden optischen Elemente innerhalb dieser typischen Struktur verwendet werden. Eine Linsengruppe 58 befindet sich als nächstes rechts hiervon entlang der optischen Achse. Die Linsengruppe 58 enthält brechende optische Elemente mit insgesamt positiver optischer Stärke. Wenigstens ein Element der Linsengruppe 58 ist aus eienem speziellen optischen Glas hergestellt. Bei diesem Beispiel ist das dritte Element von links, das Element 60, in der Linsengruppe 58 aus eienem speziellen optischen Glas hergestellt. Die Feldlinsengruppe 62 folgt als letztes auf der rechten Seite und enthält brechende Elemente. Bei diesem Beispiel enthält die Feldlinsengruppe ein Element. Eine Abbildung 64 wird am rechten Ende der optischen Achse gebildet.
Bedeutsame Merkmale dieses, in Fig. 6a gezeigten Beispiels des Standes der Technik sind die folgenden. Es ist wahrscheinlich, daß in der Linsengruppe 54, der Linsengruppe 58 oder in beiden Linsengruppen ein spezielles optisches Glas verwendet wird. Die Aperturgröße ist begrenzt, da es ansonsten schwierig ist, gleichzeitig Sphärochromatismus, sekundäre Farbe, sekundäre laterale Farbe und chromatisches Koma zu korrigieren. Der Blickwinkel ist begrenzt, da es schwierig ist, gleichzeitig die Feldkrümmung und die laterale Farbe zu korrigieren. Da mehr optische Elemente erforderlich sind, ist diese Struktur sperriger als die Struktur der Fig. 6b.
Fig. 6b zeigt eine vergleichbare optische Struktur für eine Linse mit großer Apertur und externer Pupille gemäß dieser Erfindung. Eine externe Aperturblende 66 befindet sich auf der linken Seite einer optischen Achse 67. Als nächstes folgt rechts hiervon entlang der optischen Achse eine Linsengruppe 68, die sowohl brechende als auch beugende Elemente enthalten kann. Bei diesem Beispiel enthält die Linsengruppe 68 nur brechende optische Elemente mit insgesamt positiver optischer Stärke. Als nächstes liegt rechts hiervon eine Linsengruppe 70, die sowohl brechende als auch beugende optische Elemente mit einer insgesamt positiven optischen Stärke enthält. Bei diesem Beispiel ist das am weitesten rechts liegende Element 72 der Linsengruppe 70 ein beugendes Element. Es versteht sich, daß andere detaillierte Anordnungen und Festlegungen von einzelnen optischen Elementen innerhalb der Linsengruppen 68 und 70 als die bezüglich dieses Beispiels beschriebenen Anordnungen und Festlegungen im Rahmen der Erfindung liegen. Eine Feldlinsengruppe 74 befindet sich am rechten Ende der optischen Achse und enthält brechende und beugende optische Elemente. Bei diesem schematischen Beispiel ist das rechte Element 76 der zwei in der Feldlinse gezeigten Elemente ein beugendes Element. Eine Abbildung 80 wird auf der rechten Seite der Feldlinsengruppe am rechten Ende der optischen Achse gebildet.
Ein Vergleich der zwei Linsenstrukturen der Fig. 6 läßt einen wesentlichen Vorteil hervortreten, der sich bei der gezeigten Struktur der Fig. 6b aus der Verwendung dieser Erfindung ergibt, und zwar wie folgt. Es ist kein spezielles optisches Glas notwendig. Sphärochromatismus, sekundäre Farbe, sekundäre laterale Farbe und chromatisches Koma können gleichzeitig gut korrigiert werden, wenn beugende optische Elemente alternativ in der Linsengruppe 68 oder in der Linsengruppe 70 verwendet werden oder wenn beugende Elemente in beiden Linsengruppen verwendet werden. Die erzielbare Aperturgröße ist größer als die bei der herkömmlichen Struktur der Fig. 6a. Die Verwendung von einem oder mehreren beugenden Elementen in der Feldlinsengruppe ermöglicht, daß die Feldkrümmung und die laterale Farbe gleichzeitig korrigiert werden. Es wird als Ergebnis einer besseren Korrektur der lateralen Farbe und der Feldkrümmung ein größeres Blickfeld erreicht. Da weniger optische Elemente verwendet werden, ist die Gesamtstruktur kleiner und leichter.
Fig. 7 zeigt generelle schematische Diagramme für zwei Teleobjektive, die eine interne Aperturblende enthalten. Jede dieser Strukturen verwendet zwei Linsengruppen. Fig. 7a zeigt eine typische herkömmliche Struktur und Fig. 7b zeigt eine vergleichbare Struktur gemäß dieser Erfindung.
Bei der herkömmlichen Struktur enthält eine Eingangs- Linsengruppe 82 am linken Ende einer optischen Achse 83 brechende Elemente. Bei diesem Beispiel ist das mittlere Element 84 von drei Elementen mit der Linsengruppe 82 aus einem speziellen optischen Glas hergestellt. Zur Rechten befindet sich als nächstes eine Aperturblende 86. Eine Linsengruppe 88 zur Rechten der Aperturblende besitzt eine insgesamt negative optische Stärke und enthält brechende Elemente. Bei diesem Beispiel ist das dritte Element 90 von links aus gesehen (von insgesamt vier Elementen) aus einem speziellen optischen Glas hergestellt. Eine Abbildung 92 wird am rechten Ende der optischen Achse gebildet.
Signifikante Merkmale der herkömmlichen Struktur in Fig. 7a lassen sich wie folgt zusammenfassen. In der Linsengruppe 82, der Linsengruppe 88 oder in beiden Linsengruppen muß ein spezielles optisches Glas verwendet werden. Die Aperturgröße ist begrenzt, da es ansonsten schwierig ist, gleichzeitig Sphärochromatismus und sekundäre Farbe zu korrigieren. Da mehr optische Elemente notwendig sind als bei der Struktur der Fig. 7b, ist die Struktur der Fig. 7a größer.
Fig. 7b zeigt eine typische äquivalente Struktur für ein Teleobjektiv gemäß dieser Erfindung. Eine Eingangs-Linsengruppe 94 besitzt eine insgesamt positive optische Stärke und ist in der Figur am linken Ende einer optischen Achse 95 angeordnet. Diese Linsengruppe kann sowohl brechende als auch beugende Elemente enthalten. Als nächstes befindet sich entlang der optischen Achse die Aperturblende 96. Eine Linsengruppe 98, die als nächstes nach rechts hin folgt, besitzt eine negative optische Stärke und kann sowohl brechende als auch beugende optische Elemente enthalten. In dem Beispiel der Fig. 7b sind zwei Elemente brechend, und das dritte Element 100 auf der rechten Seite ist ein beugendes Element. Es versteht sich, daß andere detaillierte Anordnungen und Festlegungen solcher brechenden und beugenden optischen Elemente innerhalb der Linsengruppe 98 als die bei diesem Beispiel beschriebenen Anordnungen und Festlegungen im Rahmen dieser Erfindung liegen. Eine Abbildung 102 wird am rechten Ende der optischen Achse gebildet.
Ein Vergleich der zwei Teleobjektivstrukturen in Fig. 7 zeigt beträchtliche Vorteile, die sich aus der Verwendung der vorliegenden Erfindung ergeben. Die glas-beugende Struktur der Fig. 7b ist kleiner und leichter, da weniger optische Elemente erforderlich sind. Es wird kein spezielles optisches Glas verwendet. Sphärochromatismus und sekundäre Farbe können gleichzeitig durch die Verwendung von beugenden optischen Elementen in der Linsengruppe 94, der Linsengruppe 98 oder in beiden Linsengruppen korrigiert werden. Die Aperturgröße ist größer als jene, die mit der herkömmlichen Struktur in Fig. 7a erhältlich ist.
Um die vorliegende Erfindung genauer darzustellen, zeigt Fig. 8 zwei vollständig konstruierte optische Strukturen, die jeweils eine Petzval-Linse bzw. ein Petzval-Objektiv mit einer externen Pupille darstellen. Dieses Beispiel wurde gewählt, da eine externe Pupille mechanisch günstig ist und gleichsam eine schwierigere optische Konstruktion mit sich bringt. Beide Strukturen besitzen denselben Blendenwert (f/3,2), dieselbe EFL (3 Zoll, entsprechend 76,2 mm) und dasselbe Blickfeld (10 Grad). Fig. 8a zeigt eine gut konstruierte Petzval- Objektivstruktur mit herkömmlichen brechenden optischen Elementen. Fig. 8b zeigt eine vergleichbare Struktur gemäß der vorliegenden Erfindung.
In Fig. 8a schließt sich an eine Eingangspupille 104 eine Linsengruppe 106 mit einer insgesamt positiven optischen Stärke und mit drei brechenden Elementen an. Das zentrale optische Element 108 dieser Gruppe besteht aus speziellem optischen Glas vom Typ KZFSN4. Als nächstes entlang der optischen Achse befindet sich eine Linsengruppe 110 mit einer insgesamt positiven optischen Stärke und mit fünf brechenden optischen Elementen. Das vierte Element 112 dieser Gruppe, von links gesehen, besteht ebenfalls aus speziellem optischen Glas vom Typ KZFSN4. Schließlich enthält eine Feldlinsengruppe 114 zwei brechende Elemente. Bei dieser glas-brechenden Anordnung unter Verwendung einer herkömmlichen Konstruktion aus dem Stand der Technik sind zehn optische Elemente erforderlich. Eine Abbildung 115 wird zur Rechten der Linsengruppe 114 gebildet.
Fig. 8b zeigt eine vergleichbare Struktur gemäß der vorliegenden Erfindung. Nach einer Eintrittspupille 116 ist eine Linsengruppe 118 gezeigt, die zwei brechende Elemente enthält. Als nächstes folgt entlang der optischen Achse eine Linsengruppe 120, die drei brechende Elemente sowie ein beugendes Element 122 enthält, das auf dem am weitesten rechts liegenden brechenden Element 121 gebildet oder aufgebracht ist. Schließlich enthält eine Feldlinsengruppe 124 ein brechendes Element 125 sowie ein beugendes Element 126, das auf der rechten Oberfläche des brechenden Elementes 125 aufgebracht oder gebildet ist. Eine Abbildung 127 wird auf der rechten Seite der Linsengruppe 124 gebildet.
Ein Vergleich zwischen der herkömmlichen optischen Anordnung der Fig. 8a und der Anordnung der Fig. 8b gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt wesentliche Vorteile gegenüber dem Stand der Technik bei tatsächlich ausführbaren optischen Strukturen. Die herkömmliche Anordnung der Fig. 8a enthält insgesamt zehn brechende Elemente, von denen zwei aus einem speziellen optischen Glas hergestellt sind. Die Anordnung der Fig. 8b enthält nur sechs brechende Elemente (von denen keines ein spezielles optisches Glas erfordert) sowie zwei beugende Elemente, die virtuell keinen Raum einnehmen. Obgleich solche Vorteile hinsichtlich der mechanischen Konstruktion und der Linsenmaterialien bereits für sich genommen wesentlich sind, erstrecken sich weitere, durch die Erfindung erhaltene Verbesserungen in den Bereich des optischen Verhaltens, wie nachstehend gezeigt wird.
Die Fig. 9 und 10 werden dazu verwendet, die zwei gut konstruierten Strukturen zu analysieren und zu vergleichen, die in Fig. 8 gezeigt sind, und zwar mittels H tan U Kurven des optischen Verhaltens. Diese Kurven, die von Fachleuten gewöhnlich dazu verwendet werden, optische Konstruktionen zu analysieren, zeigen die tangentialen und die sagittalen Aberrationen entlang zweier bezeichneter Achsen. Fig. 9 zeigt die H tan U Kurven für alle Glasstrukturen der Fig. 8a. Das optimale Verhalten dieser Konstruktion würde man im Stand der Technik als exzellent betrachten. Die Bezeichnungen DY und DX beziehen sich auf die geometrischen Aberrationen entlang der Y- bzw. der X-Richtung. Die Symbole 1, 2 und 3 zeigen jeweils Kurven für Wellenlängen der d-Linie, der F-Linie und der C-Linie. Horizontale Achsen YREF und XREF sind jeweils die Pupillenkoordinaten entlang der Y- bzw. der X-Achse. Die Bedingungen und die zugeordneten Orte für die sechs Gruppen von Kurven, die in Fig. 9 gezeigt sind, sind nachstehend in Tabelle 1 angegeben. Tabelle 1 Bedingungen für die H tan U Kurven in angezeigten Orten
Fig. 10 zeigt entsprechende H tan U Kurven für die glas- beugende Struktur der Fig. 8b. In Fig. 10 sind die Achsen, Symbole, Bedingungen, Bezeichnungen und Orte dieselben wie jene, die in bezug auf Fig. 9 beschrieben und in Tabelle 1 gezeigt sind. Die Glas-Beugungs-Konstruktion ist im optischen Verhalten, das durch die H tan U Kurven gezeigt ist, hinsichtlich aller Kriterien deutlich überlegen. Daher zeigt diese Vergleichsanalyse bezüglich der H tan U Kurven in bezug auf chromatische Aberrationen weitere Vorteile dieser Erfindung gegenüber dem Stand der Technik.
Die Fig. 11 und 12 vergleichen die zwei Strukturen der Fig. 8 auf der Grundlage einer Modulationstransferfunktion (MTF) bis hinaus zu 100 Zyklen pro Millimeter. Die MTF-Kurven zeigen die Verschlechterung der Modulation mit ansteigender Raumfrequenz und sind eine zusätzliche Grundlage zum Überprüfen des optischen Verhaltens. Fig. 11 zeigt typische MTF-Kurven für die vollständig aus Glas bestehende Struktur der Fig. 8a. Ein solches Verhalten würde man im Stand der Technik als exzellent betrachten. Die Buchstabenangaben an den Kurven der Fig. 11 werden dazu verwendet, die Art der geometrischen Aberration und den Blickwinkel anzugeben; die besonderen Bedeutungen dieser Buchstaben sind in Tabelle 2 nachstehend angegeben. Tabelle 2 Angaben für die MTF-Kurven
Fig. 12 zeigt entsprechende MTF-Kurven für die glas- beugende Struktur der Fig. 8b. Die Buchstabenbezeichnungen der Kurven in Fig. 12 sind dieselben wie jene, die in Tabelle 2 angegeben sind. Die Modulation ist für alle räumlichen Frequenzen für die glas-beugende Struktur wesentlich besser. Auf der Grundlage des MTF-Kriteriums sind zusätzliche Vorteile im überlegenen Verhalten, das aus dem Gebrauch dieser Erfindung erhältlich ist, offensichtlich.
Fig. 13 stellt eine optische Struktur dar, die der glas- beugenden Struktur der Fig. 8b ähnlich ist, bei der der Blendenwert jedoch von f/3,2 auf f/2,5 verringert worden ist. Diese stark verbesserte Spezifikation liefert eine zusätzliche Basis für den Vergleich des optischen Verhaltens typischer Strukturen der Fig. 8a, die ganz aus Glas bestehen, mit jenem, das durch die Verwendung der vorliegenden Erfindung erhältlich ist, wie es nachstehend gezeigt wird.
Auf der linken Seite ist in Fig. 13 eine Eintrittspupille 128 gezeigt. Eine Linsengruppe 129 mit einer insgesamt positiven optischen Stärke enthält zwei brechende Elemente. Eine Linsengruppe 130 mit einer insgesamt positiven optischen Stärke enthält drei brechende Elemente sowie ein beugendes Element 132, das auf dem am weitesten links liegenden brechenden Element 131 aufgebracht oder ausgebildet ist. Eine Feldlinsengruppe 134 enthält ein brechendes Element 135 sowie ein beugendes Element 136, das auf das Element 135 aufgebracht oder daran angebracht ist. Eine Abbildung 137 wird rechts von der Linsengruppe 134 gebildet.
Fig. 14 zeigt die H tan U Kurven des Verhaltens der glas- beugenden Struktur der Fig. 13. In Fig. 14 sind die Achsen, Symbole, Zustände, Bezeichnungen und Orte dieselben wie jene, die in Fig. 9 beschrieben und in Tabelle 1 gezeigt sind. Ein Vergleich der Fig. 14 mit der Fig. 10 zeigt die erwarteten Verschlechterung des optischen Verhaltens, die die signifikante Erschwernis reflektiert, die sich aus einer Verringerung des Blendenwertes von f/3,2 auf f/2,5 ergibt. Ein Vergleich der Fig. 14 mit der Fig. 9 liefert jedoch einen weiteren Hinweis für die Überlegenheit dieser Erfindung. Die H tan U Kurven zeigen, daß das optische Verhalten der glas-beugenden Struktur der Fig. 13 mit einem Blendenwert von f/2,5 der vergleichbaren glas-brechenden Struktur der Fig. 8a mit einem Blendenwert von f/3,2 noch überlegen ist.

Claims

1. Achromatische optische Struktur, die eine Abbildung liefert und eine Kombination von optischen Elementen aufweist, wobei die Struktur wenigstens eine achromatische brechendebeugende Linsengruppe (44; 70; 98; 120; 130) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur weiterhin wenigstens eine achromatische brechende Linsengruppe (40; 68; 94; 118; 129) aufweist und daß die wenigstens eine achromatische brechende Linsengruppe sekundäre axiale chromatische Aberrationen einer entgegengesetzten algebraischen Richtung gegenüber jenen der wenigstens einen achromatischen brechenden-beugenden Linsengruppe aufweist, so daß chromatische Nettoaberrationen durch eine geeignete Anordnung und relative Festlegung der Linsengruppen sowie eine geeignete Verteilung der optischen Leistung bzw. Stärke auf die optischen Elemente der Struktur im wesentlichen ausgelöscht werden.

2. Objektiv vom Petzval-Typ mit einer optischen Struktur nach Anspruch 1 und mit einer Vielzahl von Linsengruppen (40, 44; 118, 120; 129, 130), die eine achromatische optische Struktur aufweisen, wobei jede Linsengruppe eine positive Stärke besitzt, und einer Feldlinsengruppe (48, 124; 134), wobei wenigstens eine der Linsengruppen zumindest ein optisches Element (46; 50; 122; 126; 132, 136) vom beugenden Typ besitzt.

3. Objektiv vom Petzval-Typ nach Anspruch 2, das in einer Anordnung entlang einer optischen Achse (41) eine achromatische brechende Eingangslinsengruppe (40) mit einer Vielzahl von optischen Elementen vom Brechungstyp, eine interne Aperturblende (42), eine zweite achromatische Linsengruppe (44) mit einer Vielzahl von optischen Elementen vom Brechungstyp aufweist, wobei zumindest ein optisches Element (46) vom Beugungstyp entweder in der Eingangslinsengruppe und/oder der zweiten Linsengruppe vorhanden ist, und wobei ein optisches Element (50) vom Beugungstyp in der Feldlinsengruppe (48) vorliegt, wobei die optischen Elemente geeignet angeordnet und relativ zueinander festgelegt sind, um die Abbildung gleichzeitig hinsichtlich folgender Fehler zu korrigieren:

(a) Sphärochromatismus, primäre Farbe, sekundäre Farbe und sekundäre laterale Farbe mit dem wenigstens einen, in entweder der Eingangslinsengruppe und/oder der zweiten Linsengruppe vorliegenden optischen Element vom Beugungstyp; und

(b) Feldkrümmung und laterale Farbe mit dem wenigstens einen in der Feldlinsengruppe vorliegenden optischen Element vom Beugungstyp.

4. Objektiv mit großer Apertur mit einer optischen Struktur nach Anspruch 1, einer externen Pupille (66) und einer Feldlinsengruppe (74), wobei wenigstens eine der achromatischen Linsengruppen (70) wenigstens ein optisches Element (72) vom Beugungstyp besitzt, und wobei jede der achromatischen Linsengruppe (68, 70) eine positive Stärke besitzt.

5. Objektiv mit großer Apertur nach Anspruch 4, das in einer Anordnung entlang einer optischen Achse (67) die externe Pupille (66), eine achromatische Eingangslinsengruppe (68) mit einer Vielzahl von optischen Elementen vom Brechungstyp, eine zweite achromatische Linsengruppe (70) mit einer Vielzahl von optischen Elementen vom Brechungstyp aufweist, wobei wenigstens ein optisches Element (72) vom Beugungstyp entweder in der Eingangslinsengruppe und/oder der zweiten Linsengruppe vorhanden ist, und wobei die Feldlinsengruppe (74) wenigstens ein optisches Element vom Brechungstyp und wenigstens ein optisches Element (76) vom Beugungstyp besitzt, wobei die optischen Elemente geeignet angeordnet und relativ zueinander festgelegt sind, um die Abbildung gleichzeitig bezüglich folgender Fehler zu korrigieren:

(a) Sphärochromatismus, primäre Farbe, sekundäre Farbe, sekundäre laterale Farbe und chromatisches Koma mit dem wenigstens einen optischen Element vom Beugungstyp, das in entweder der Eingangslinsengruppe und/oder der zweiten Linsengruppe vorliegt; und

(b) Feldkrümmung und laterale Farbe mit dem wenigstens einen optischen Element vom Beugungstyp, das in der Feldlinsengruppe vorliegt.

6. Teleobjektiv mit einer Vielzahl von Linsengruppen (94, 98), das eine optische Struktur nach Anspruch 1 aufweist, wobei jede Gruppe entweder eine positive oder eine negative Stärke besitzt und wobei jede Gruppe eine Vielzahl von optischen Elementen vom Brechungstyp aufweist und wobei wenigstens eine der achromatischen Linsengruppen wenigstens ein optisches Element (100) vom Beugungstyp aufweist.

7. Teleobjektiv nach Anspruch 6, das in einer Anordnung entlang einer optischen Achse (95) eine achromatische Eingangslinsengruppe (94) mit einer Vielzahl von Elementen vom Brechungstyp mit positiver Stärke, eine interne Aperturblende (96), eine zweite achromatische Linsengruppe (98) mit negativer Stärke und mit einer Vielzahl von optischen Elementen vom Brechungstyp und wenigstens einem optischen Element (100) vom Beugungtyp aufweist, wobei die optischen Elemente geeignet angeordnet und relativ zueinander festgelegt sind, um die Abbildung gleichzeitig hinsichtlich Sphärochromatismus, primärer Farbe und sekundärer Farbe zu korrigieren.

8. Okularobjektiv, das in einer Anordnung entlang einer optischen Achse (15) eine externe Apertur (18) und eine optische Struktur nach Anspruch 1 (16) aufweist.

9. Optische Struktur nach Anspruch 1, wobei eine Korrektur bezüglich einer chromatischen Verzerrung in der Abbildung dadurch erreicht wird, daß wenigstens ein optisches Element vom Beugungstyp mit einer asphärischen Wellenfront hoher Ordnung codiert wird.