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Prüfgerät für optische Systeme, vorzugsweise photographische Objektive,
zur Erzeugung eines reellen, zu untersuchenden Bildes
Die Erfindung betrifft ein
Prüfgerät für optische Systeme, vorzugsweise photographische Objektive.
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Mittels dieser zu prüfenden Objektive soll ein reelles Bild erzeugt
werden, das zu untersuchen ist.
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Die Erfindung dient dabei dem Zweck, die Beobachtung insbesondere
in seitlichen Teilen des entworfenen Bildes zu erleichtern. Ein kleines, von einer
Testfigur entworfenes Bild wird bei der praktischen Durchführung dieser Aufgabe
mit Hilfe eines Mikroskops vergrößert wiedergegeben. Dazu ist es erforderlich, daß
die Bildfläche senkrecht zur optischen Achse des Mikroskops steht und daß das Lichtbündel
möglichst genau, mindestens aber angenähert in Richtung der Mikroskopachse verläuft.
Nur dann läßt sich das von dem zu prüfenden Objektiv entworfene Bild ohne zusätzliche
Vererrungen und Unschärfe einwandfrei beobachten.
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Um das in erreichen, wird erfindungsgemäß dem zu prüfenden optischen
System, inslbesonldere also einem photographischen Objektiv, das gebrauchsfertig,
also für sich durchkorrigiert und somit weitgehendst von Ablbilqdungsfehlern befreit
ist, eine ebenfalls für sich durchkorrigierte Feldlinsenanordnung im Sinne des Strahlenganges
nachgeschaltet, die das vom Objektiv in einer Ebene entworfene Bild auf der letzten,
nämlich kugelig nach außen gewölbten Fläche des Feldlinsensystems so abbildet, daß
die Hauptstrahlen für alle Bildpunkte, also auch die seitlichen, diese Bildfläche
senkrecht durchsetzen. Es ist also möglich,
die Bildpunkte sämtlich
nacheinander durch ein Mikroskop zu beobachten, das um den Krümmungsmittelpunkt
der Bildfläche schwenkbar angeordnet ist.
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Die Feldlinsenanordnung ist zweckmäßig so gestaltet, daß ihr objektseitiger
Hauptpunkt annähernd in die Bildebene des zu prüfenden Objektivs fällt. Die Feldlinsenanordnung
und das um den Krümmungsmittelpunkt der Bildfläche schwenkbare Mikroskop bilden
die Hauptteile des Prüfgerätes, vor die die zu prüfenden Objektive nach Belieben
gebracht werden können. Allerdings können naturgemäß der Felldlinsenanorldounsg
nur jeweils solche Objektive zum Zweck der Prüfung zugeschaltet werden, welche die
gleiche Nennbrennweite aufweisen.
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Es ist bereits bekannt, photographische Objektive mit Feldlinsen
auszurüsten, um dem bildseitigen Strahlengang gewisse Richtungseigenschaften zu
erteilen. So verwendet man photographische Objelitive mit einer Feldlinse nahe der
Brennebene für die Belichtung von Linsenrasterfilmen. In diesem Falle muß aber das
Objektiv mit der Feldlinse zusammen ein in sich auf Abbildungsfehler korrigiertes
optisches System darstellen, und' weder die Feldlinse für sich noch das vorgesetzte
Objektiv für sich sind im Sinne einer abgeschlossenen Korrektur von Abbildungsfehlern
befreit.
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Weiter gibt es photographische Objektive für normale Aufnahmezwecke,
bei denen durch Herbeiführung telezentrischen Strahlenganges sämtliche Hauptstrahlen
parallel zur optischen Achse verlaufen und den entworfenen Bildern dadurch bestimmte
Eigenschaften erteilen sollen. Auch in diesem Falle sind die Feldlinsen Bestandteile
des gesamten Systems, die mit den vorhergehenden Linsen gemeinsam, aber nicht einzeln
für sich korrigiert sind, und insbesondere ist in keinem der bekannten Fälle die
Austauschbarkeit der vorgesetzten Linsenglieder gegenüber der stehenbleibenden Feldlinse
vorgesehen oder möglich.
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Bei Interferometern zur Prüfung von Objektiven schließlich und bei
Anordnungen zur Messung von Brennweiten werden gelegentlich Zwischenlinsen oder
auch Hohlspiegel angewandt, deren Anordnung und Wirkung sich aber grundlegend von
der Feldlinsenanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung unterscheidet.
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In Abb. I ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt.
Der Erfindungsgedanke wird dabei verwirklicht durch Anwendung der Feldlinsenanordnung
F, welche eine kugelige B i ldauffangfiäche A besitzt. Die Feldlinsenanordnung F
besteht, wie ersichtlich, beim Ausführungsbeispiel aus einem dicken Meniskus FM1
und einer dicht benachbarten Bikonvexlinse FB. 0 ist das z. B. zu prüfende, in Richtung
vom abzubildenden Objekt her vorausgehende abbildende, in sich vollkommen durchkorrigierte
Objektiv. Die Bauart des Objektivs ist ohne Einfluß auf die Erfindung; grundsätzlich
ist jedes System verwendbar bzw. prüfbar. Es hat sich als besonders vorteilhaft
erwiesen, den objektivseitigen HauptpunktH der Feldlinsenanordn,ungF in ganz geringem
Abstand von der Bildebene B des Objektivs 0 anzuordnen. Eine besonders günstige
Ausführungsform ist weiterhin dann erreicht, wenn der folgenden Bedingung genügt
wird: Das 0,7- bis I,4fache der Brechkraft p; des Feldlinsensystems, vermehrt um
das Reziproke des Absolutwertes vom Radius r seiner Auffangfläche A, wobei dieser
Absolutwert vermindert ist um den Abstand der Auffangfläche A vom dem Bild zugekehrten
Hauptpunkt H', soll gleich sein dem Reziproken der Brennweitef des vorgesetzten
Objektivs 0, letztere vermindert um den Abstand seiner Bildebene B von dem objektivseitigen
Hauptpunkt H der Feldlinsenanordnung F. Formelmäßig ausgedrückt lautet diese Beziehung:
1 1 0,7 ... 1,4# + = r - AH f - BH Werden die angegebenen Grenzwerte des 0,7- und
des I,4fachen der Brechkraft unter- oder überschritten, so treten die Strahlen nicht
mehr senkrecht durch die Bildauffangfläche A, sondern unter einen derartigen Winkel,
daß entweder die Bildschärfe oder die Lichtstärke bei der Betrachtung seitlicher
Details störend beeinträchtigt ist (der praktisch zu bevorzugende Wert ist 1,0).
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Eine besonders zweckmäßige Anordnung ergibt sich, wenn die Bilfdauffangfläche
A der Felldlinsew anordnung gleichzeitig die letzte Glasluftfläche von ihr ist.
Das Beispiel der Abb. I weist diesen Fall auf.
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Es sind jedoch auch noch verschiedene andere Bauarten der Feldlinsenanordnung
ausführbar, die den Erfindungsgedanken verwirklichen. So kann die Anordnung an Stelle
des in Abb. I dargestellten Feldlinsensystems aus einer Bikonvexlinse allein bestehen,
deren dem Objektiv abgewandte Seite gleichzeitig die Bildauffangfläche ist.
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Abb. 2 zeigt diese im Rahmen der Erfindung vorgeschlagene Lösung.
Wieder ist 0 das zu prüfende Objektiv, FB ist die erwähnte Bikonvexlinse. Erfindungsgemäß
liegt dabei die Bildebene B in der durch den scharfen Rand U der Linse bestimmten
Ebene, und die Linse FB ist so gestaltet, daß der Achsenpunkt dieser Ebene durch
die Vorderfläche V der Linse im Linsenscheitei der Rückfläche abgebildet wird. Alle
Hauptstrahlen durchsetzen senkrecht die Rückfläche, die gleichzeiitig Bilidauffangiläche
A ist. Die astigmatfschen Zonenfehier kann man dadurch beseitigen, daß man statt
einer Linse zwei Linsen anordnet, in bevorzugter Ausführungsform zwei Menisken,
die sich beinahe berühren und die ihre Hohlflächen dem vorgesetzten Objektiv zukehren.
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Eine solche erfindungsgemäße Ausführung ist in Abb. 3 dargestellt.
Es bedeutet 0 das zu prüfende Objektiv, FM1 und FM2 sind die das Feldlinse system
bildenden Menisken. In diesem Falle soll gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung
der dem Objektiv zugekehrte Meniskus FMX aus einem hoch brechenden, aber wenig farbstreuenden
Glas, vorzugsweise von der Brechzahl I,55 bis 1,65, bestehen, und sein hohler Radius
soll etwa das Vier-
fache, sein erhabener das 0,7- bis o,gfache
der Brennweite des zu prüfenden Objektivs betragen.
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Der zweite Meniskus FM2 soll dabei eine kleinere Brechkraft besitzen
als der erste, und seine beiden Flächen, also die Eintrittsfläche und ebenso die
gleichzeitig als Bildfläche dienende Austrittsfläche, haben einen Radius, der zwischen
dem 2,0- und 3,5 fachen der Brennweite des zu prüfenden Objektivs liegt, während
die Dicke d dieses Meniskus weniger als I0°/o der Brennweite des Objektivs O beträgt
und seine Brechzahl unter I,60 gehalten wird.
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Außerhalb der erfindungsgemäß angegebenen Grenzbereiche weist diese
Anordnung Abbildungsfehler von solchem Betrage auf, daß beispielsweise die Prüfung
von photographischen Objektiven normalen Aufbaues nicht möglich ist.
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In den genannten Abb. 2 und 3 sind die Ausführungsbeispiele der Erfindung
so dargestellt, daß ihre Zahlenwerte für ein zu prüfendes Objektiv von 50 mm Brennweite
gelten.
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Beispiel 1 (Abb. 2) r1 = + 85,6 d= 6,2 n= I,6I3 r2 = - 151,0 Der
Abstand der Bildebene B vom ersten Linsenscheitel sl beträgt 4,2 mm.
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Beispiel2 (Abb.3) r1 = - 200,4 dt = 7,2 fl = 1,620 r2 = - 4I,9 d2
= - 0,I r3 = 142,0 d3 = I,533 r4 = - 142,0 Der Abstand der Bildebene B vom Scheitel
s3 der ersten Fläche beträgt 5,5 mm.
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Beide Beispiele entsprechen der durch die obige Formel näher erläuterten
Beziehung.
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Es ist möglich, die Bildauffangfläche A durchsichtig zu belassen,
um eine große Lichtstärke der zu beobachtenden Bilder zu erlangen; die Fläche kann
aber auch mattiert werden, so daß das Bild aus einem größeren Winkelbereich gesehen
werden kann.
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Die bisher beschriebenen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen
Feldlinsenanordnung weisen noch spürbare Farbenvergrößerungsfehler auf, die für
Meß- und ähnliche Zwecke von allen Restfehlern am störendsten sind. Durch Einführung
von Kittflächen könnte man diese noch beseitigen, doch erfordert das einen unwirtschaftlich
großen Aufwand an optischen Mitteln, wenn man nicht andere Abbildungsfehler wieder
einführen will. Die Erfindung schlägt zur Behebung dieser Schwierigkeiten deshalb
vor, in der Anordnung der Feldlinse selbst keinerlei chromatische Fehler zu beheben,
sondern den auftretenden Farbenvergrößerungsfehler durch eine chromatische Platte
zu beseitigen.
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Sie wird im Strahlengang vor oder hinter der Feldlinsenanordnung an
der Stelle einer möglichst kleinen Pupille so angebracht, daß bei steigender Neigung
a der Hauptstrahlen in der Feldlinsenanordnung die Durchstoßhöhe h des Bündels durch
diese Platte ebenfalls zunimmt.
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In Abb. 4 ist eine derartige Anordnung schematisch dargestellt. Mit
0 ist das abbildende Objektiv, mit F die Feldlinsenanordnung dargestellt, welche
die Bildfläche A aufweist. C ist die chromatische Platte, die im Falle dieses Ausführungsbeispieles
als eine brechkraftlose Kombination eines stark und eines schwach farbenstreuenden
Glases ausgebildet ist.
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Im dargestellten Beispiel ist die chromatische Platte C zwischen
einem in weiter Entfernung befindlichen, hier nicht gezeichneten, abzubildenden
Gegenstand und dem Objektiv 0 eingeschaltet. Sie kann (bei entsprechender Bemessung)
ebensogut im Strahlengang hinter der Bildauffangfläche A liegen, beispielsweise
bei C', also etwa in der Austrittspupille eines der Bildfiäche A nachgeschalteten
Beobachtungsmlikroskops M.
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In Abb. 5 ist als Seitenansicht, eingestellt für die Bildmitte, in
Abb. 6 als Draufsicht, eingestellt für einen seitlichen Bildpunkt, eine besonders
zweckmäßige bauliche Ausgestaltung der Feldlinsenanordnung bei einem Gerät zum Prüfen
des Korrektionszustamdes von Objektiven schematisch dargestellt.
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Die Feldlinsenanordnung F und die chromatische Platte C sind auf
einem festen Träger T montiert, der sich mittels einer senkrechten Gerätesäule X
um die Achse X' schwenken läßt. Das zu prüfende Objektiv 0 wird so angeordnet, daß
sein dingseitiger Hauptpunkt H0 auf der Achse X' liegt.
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Das Objektiv 0 sitzt mit mehreren ähnlichen, ebenfalls zu prüfenden
Objektiven 02, 0 03, 04 uSW. von gleicher Brennweite auf einer Revolverscheibe R
oder einer ähnlichen Vorrichtung, die ein rasches Einrücken des jeweils zu untersuchenden
Objektivs in die Prüfstellunig 0 erlaubt. Auf dem Träger T ist in der senkrechten
Ebene des Krümmungsmittelpunktes der Bildfiäche A ein Schwenklager L angebracht,
um das sich ein das Betrachtungsmlikroskop M tragender TrägerL' schwenken läßt.
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Durch diese Anordnung ist erreicht, daß in jeder Mikroskopstellung
die Bildfiäche A in ihm scharf erscheint, und es kann jede Bildstelle des zu untersuchenden
Objektivs 0 betrachtet werden. Das subjektive Beobachten unter Hineinschauen ins
Okular des Mikroskops ist bei dieser Vorrichtung ebenso möglich wie das Projizieren
auf einem mit dem Mikroskop M verbundenen Schirm S, beispielsweise einer Mattscheibe.
Als abzubildendes Objekt bei diesen Beobachtungen kann an sich jeder sehr weit entfernte
Gegenstand dienen, zweckmäßig aber wird eine dem Prüfzweck angepaßte Testmarke P
im Brennpunkt eines den schwenkbaren Trägern L' und T gegenüber feststehenden Kollimatorabjektivs
K angeordnet.
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Durch die Anordnung eines mechanischen Kupplungs- bzw. Führungsorgans,
z B. eines ortsfesten Stiftes Q, kann die Schwenkung des Trägers T mit den auf ihm
montierten Teilen C, R (und damit 0), F einerseits und die Schwenkung des Mikroskops
M andererseits, so miteinander gekuppelt werden, daß im Mikroskop in jeder Lage
des Trägers ein Bild der KollimatormarkeP (oder des weit entfernten Gegenstandes)
erscheint. Dabei spielt sich folgender Vorgang ab: Der Träger T des Objektivs 0
und der Feldlinse F wird um seine Drehachse X verdreht, weil man das Objektiv an
einer bestimmten Randstelle betrachten will. Bei dieser Drehung wird vermittels
des Kupplungs- und Drehbolzens L der Träger L' des Mikroskops M mitgeschleppt. Diese
Bewegung des Trägers L' ist gesteuert durch den feststehenden Bolzen Q, um den sich
also der Träger L' nun dreht. Die Lage des Punktes Q ist so bestimmt, daß bei der
beschriebenen Drehung das Mikroskop M stets in Richtung der optischen Achse des
gesamten Gerätes steht, daß also das Bild der AIarke P wirklich gesehen werden kann.
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Um dies zu erreichen, werden gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung
die Drehpunktabstände wie folgt gewählt: Der Abstand der Drehachse Q des Mikroskopfrägers
L' und des Drehpunktes X des Objektiv- und Feldlinsenträgers T verhalten sich zu
dem gemeinsamen Drehpunkts beider Träger T und L' wie die Winkel des Hauptstrahls
gegen die optische Achse vor und nach dem Durchgang durch das Feldlinsensystem F.
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Es ist weiterhin möglich, die blanke oder mattierte Bildfläche=4
zu verspiegeln oder einen Spiegel gleicher Krümmung auf sie aufzulegen, so daß alle
auftreffenden Strahlen in sich selbst zurückgeworfen werden. Dadurch ist erreicht,
daß eine Prüfung des Objektivs O durch Autokollimation nicht nur in der Mitte seines
Gesichtsfeldes, sondern auch in dessen Randteilen möglich ist Dieser Fall ist in
Abb. 7 in Draufsicht schematisch dargestellt. Wie erkennbar, kann die chromatische
Platte C hierbei entfallen. Zwischen dem 01e jektiv 0 und dem Kollimator P, K wird
eine halbdurchlässig spiegelnde Fläche G eingeschaltet. Sie ist so geneigt, daß
das aus dem Objektiv 0 nach Rückstrahlung an der verspiegelten Fläche A des Feldlinsensystems
F rückwärts austretende Lichtbündel in das Fernrohr J tritt. In ihm ist ein Bild
der Testmarke P zu sehen, das infolge des zweimaligen Durchganges der Strahlung
durch das Objektiv 0 dessen Aberrationen besonders deutlich erkennen läßt.
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Gegenüber dem Fernrohr J kann ein zweites Objektiv 0., mit einer
zweiten Feldlinsenanordnung F2 so angebracht werden, daß wechselweise, etwa mittels
zweier mit den Objektiven 0, °2 ZU-sammengebauter Verschlüsse ATi, N2, beide Objektive
wirksam sein und somit etwa hinsichtlich ihrer Fokussierung oder ihrer Aberrationen
verglichen werden können. Beide Kombinationen 0, F und 02> F2 2 können um die
Achsen Y und Y2, die durch die Hauptpunkte der Objektive hindurchgehen, geschwenkt
werden. Durch hier nicht dargestellte mechanische Mittel kann man es erreichen,
daß beide Schwenkwinkel jeweils gleich groß gehalten werden.
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Es ist zur Erreichung des gleichen Zieles auch möglich, zwischen
G und 0 bzw. zwischen G und 00 den Strahlengang durch einen Spiegel zu knicken und
den Spiegel zu schwenken, bis die gewünschte Randpartie im Fernrohr erscheint.