EP0753162A1 - Optisches system hoher symmetrie - Google Patents

Optisches system hoher symmetrie

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Publication number
EP0753162A1
EP0753162A1 EP94908267A EP94908267A EP0753162A1 EP 0753162 A1 EP0753162 A1 EP 0753162A1 EP 94908267 A EP94908267 A EP 94908267A EP 94908267 A EP94908267 A EP 94908267A EP 0753162 A1 EP0753162 A1 EP 0753162A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
lens system
diaphragm
plane
image
lens
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP94908267A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Frank Gallert
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Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Publication of EP0753162A1 publication Critical patent/EP0753162A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B13/00—Optical objectives specially designed for the purposes specified below
    • G02B13/06—Panoramic objectives; So-called "sky lenses" including panoramic objectives having reflecting surfaces
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/0025—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for optical correction, e.g. distorsion, aberration
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/04—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings formed by bundles of fibres
    • G02B6/06—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings formed by bundles of fibres the relative position of the fibres being the same at both ends, e.g. for transporting images

Definitions

  • the invention is based on a lens system with spherical symmetry.
  • a lens system with spherical symmetry is already described in the patent 1) of the patent US 5004328, in which the special case of concentrically arranged balls and hollow balls is dealt with.
  • the object of the subject of the invention is to apply the term concentric symmetry to less obvious cases and here to a much larger range of solutions, in order to obtain, in particular, refined possibilities for correcting the longitudinal color error and the spherochromatic aberration, thereby increasing the possible light intensity and degrees of freedom in optical design, such as for optimal adaptation to specific tasks, such as e.g. as a solar collector.
  • claim 1 excludes all the cases which are already claimed by document 1), so that there is no overlap of the protected areas.
  • the system according to the invention has set itself the task of pressing the spherochromatic residual errors remaining when the color longitudinal error is correct for an aperture number of 5 of the lens system to such an extent that systems with a focal length of up to 200 mm provide a diffraction-limited image, in which case the object field shown covers more than 20600 square degrees and then e.g. is imaged on a hemisphere with a diameter of 400 mm.
  • systems according to the invention with a focal length of up to 500 mm of the same number of openings between lines c and F of the light spectrum should achieve an imaging quality which corresponds to a scattering disc of less than 0.02 mm, as a result of which the adaptation to the resolving power of the detectors according to the prior art is achieved elements, such as the edge length of CCD pixels, would be achieved, in which case the mapping takes place on a hemisphere with a diameter of 1000 mm. This goal should be achieved with the smallest possible number of areas.
  • Another object of the invention is to continuously adapt the curved image field 3 of the lens system 1 at least piece by piece to flat surfaces of detectors 6, this adaptation being intended to disturb the existing symmetry as little as possible. Another goal is to refine the correction of spherical zone errors
  • Another object of the invention is to optimize the lens system, in particular for use as an energy collector.
  • An optical system was created in which light that comes from an object plane 0 strikes a lens system 1 in which an aperture 2 is arranged. All the radii of the lens system 1 and the curved image plane 3, in which a detector 6 is arranged, have substantially the same center - the center of the diaphragm 2.
  • the optical materials which are located between such concentrically formed radii can all be different from one another. That shells of the same geometry, which are arranged to the left and right of the diaphragm 2, can also consist of different optical material. Only the optical material that is located directly to the left and right of the free opening of the diaphragm 2 should preferably be identical in order to rule out color magnification errors. Reflecting surfaces 4 can also be arranged concentrically to the center of the diaphragm 2 in order to fold the light path and, if necessary, to increase the light intensity of the optical system.
  • an aspherical corrector plate 5 can be introduced into the plane of the diaphragm 2, the surface shape of which is related to that of a conventional Schmidt plate in the mirror system of the same name.
  • small leveling lenses 7 can be introduced shortly before the plane of the image field 3, which cause imaging on flat detectors 6 of approximately the same dimension as that of the leveling lenses 7, these detectors 6 with their surfaces facing parallel planes Form tangent planes to the curved image field 3.
  • cylindrical jacket-shaped areas 8 can carry detector elements 6 on their front side, which conforms to the image field 3, or the cylindrical jacket-shaped areas 8 can in turn consist of light-conducting fibers 8, which feed the image to a flat detector 6 for further processing, for example.
  • the necessary differential displacement of the cylindrical jacket-shaped regions 8 against one another in the case of focusing processes on differently curved image fields 3 can take place here, for example, by means of a sensible mechanical device, which is based on a given position and the size of the adjustment movement required for the axial detector element of the detector 6 is necessary for focusing, derives a control variable, which then, for example, automatically forces the correct adjustment movements for the cylindrical jacket-shaped elements 8 located outside the axis, for example by way of a curve control.
  • the geometries of the end faces of the cylindrical jacket-shaped areas 8 are advantageously selected and matched to a central focusing position so that the smallest possible jumps between the end faces of the individual cylindrical jacket-shaped areas 8 result for the maximum adjustment ranges to be processed.
  • the radius of the image field 3 is preferably chosen to be as large as that image width of the lens system 1 which results for the object widths to be imaged most frequently.
  • the image width corresponds to the paraxial focal length for parallel incident light, but modified somewhat to adjust to the level of the smallest dispersion or the best optical focus.
  • the system according to the invention can find its way into pictorial photography and in particular videography.
  • the adjustment mechanism for small systems with a focal length of up to approximately 50 mm should be economically producible.
  • the new quality of the system according to the invention is given above all by the fact that it has no optically excellent axis. While conventional optical systems, such as.
  • Photo lenses, telescope lenses, microscope lenses, eyepieces and others have an excellent optical axis, which is mainly the result of the striving for a flat image field and thus the zeroing of the Petzval sum, in the system according to the invention there is always a curvature of the image field 3 and the object field 0 conjugated to it , both of which are in turn concentric with the center of the diaphragm 2.
  • the infinite number of optical axes of the system according to the invention can easily be converted into one another by rotary transformations.
  • REPLACEMENT3LATT is the axis of the highest image brightness, which goes through the center of the aperture 2 and lies in the direction of the normal of the aperture plane.
  • the plane of the aperture 2 is shortened in the tangential section, whereby it is now elliptical appearing projection of the aperture surface with the cosine of the angle of incidence against the normal in its area is reduced, whereby the intensity of the off-axis image point and thus consequently the local illuminance decreases with this cosine of the angle of incidence.
  • this decrease in illuminance is associated with the 4th power of the cosine of the angle of incidence to the normal, one power due to the aperture, two powers due to the increasing distance to the edge of the image field and thus go back to a square increasing surface element and a power by projecting this surface element onto the image plane 3 inclined to this surface element.
  • the last two factors are eliminated, since the distance between the image plane 3 is independent of the angle of incidence and because a surface element of a constricted bundle always projects perpendicularly onto the image plane 3 at this point.
  • the system according to the invention is therefore advantageous both because of its off-axis imaging quality, which is the same as the axial imaging quality, and because of its lower light decay towards the edge. So while for an ordinary lens with a flat image field, for example, the illuminance for a 120 degree object field is only 1/16 of the illuminance in the axis normal to the aperture plane, for the same object field in the system according to the invention the illuminance at the edge of the conjugate image field is 1/2 that Illuminance at the intersection of the surface normal of the aperture 2 and the image field 3.
  • the image quality in the system according to the invention will be somewhat better towards the edge than in the axis of the highest illuminance, ie the axis normal to the aperture plane. The explanation is simple.
  • the scattering discs produced would be completely identical in terms of their geometry on the image field plane.
  • the bundles incident at an angle normal to the aperture are, as already mentioned, trimmed through the aperture 3 in the tangential direction so that these bundles become approximately elliptical in cross-section, the major axis of this ellipse lying in the sagittal direction of an incident bundle is held back at the diaphragm plane, most of all in the tangential section and least - namely none at all - in the sagittal section. Ie from the circular figure of destruction
  • the image quality in the axis that is normal to the aperture plane is now very simply defined, the image quality that is at least achieved for a field of view of up to 180 degrees in diameter, or an image field area of approximately 20,600 square degrees.
  • something very astonishing is possible - namely, if one achieves diffraction-limited quality at the intersection of the aperture normal and image field 3, then one also achieves diffraction-limited imaging quality on the entire image field 3 and also without distortion.
  • systems can be specified without further diffraction-limited and distortion-free imaging, for example, of the entire starry sky visible at one place on earth at a defined point in time, which means that, at least with regard to this task, one can speak of perfection achieved.
  • REPLACEMENT LEAF from existing receivers of about 70 billion distinguishable pixels. If, for the sake of convenience, only 256 different brightness values are taken, only one picture with such a camera would fill about 70 hard disks of 1 gigabyte each without further image compression.
  • a Schmidt camera which has the aperture number 3, for example, depicts minimally scattering figures of 1 arc second on a field of view with an edge length of 5 degrees. Ie 25 x 3600 x 3600 theoretically distinguishable picture elements. This number can also not be increased significantly by choosing a larger number of apertures, that is to say a camera with less light, since the image quality is better and thus the lens becomes smaller, but on the other hand the size of the field of view that can be transmitted decreases.
  • the Schmidt camera is capable of imaging approximately 325 million distinguishable picture elements.
  • This comparison shows what progress systems according to the invention represent, in particular with regard to the scope of the image information which can be achieved with a picture, and what challenge, on the other hand, lies in processing and storing this quantity of information. If one takes only once a system with, for example, 10 arcseconds resolution, which can be easily achieved, the state of the art would require about 700 CCDs with 4 million pixels each in order to capture the information that this lens provides . Probably the most advanced state of the art currently represents probably one Anord ⁇ voltage with a mosaic of 64 CCDs, each with 1 million pixels and a further arrangement with 30 Tektronix 2048 x 2048 pixels - CCD 's, which is currently under development. See also Newsletter 4 of the International Astronomical Union, Commission 9, Working Group Wide Field Imaging, page 9, right column.
  • Rimage field represents the radius of curvature of the image field 3. This is negative, ie concave against the incident light.
  • the radius Rlel facing the lens system 1 also becomes negative and thus concave with respect to the incident light.
  • the material of the leveling lenses 7 is expediently chosen with the refractive index nel with the smallest possible dispersion - that is to say a high Abbe number.
  • Systems according to the invention can also be used for airspace surveillance, the design of the system having to be matched to the desired or expected average object distance.
  • the position of an object depicted in this way can now be obtained directly from the receiver pixels without having to correct the distortion as in the case of a normal lens, or without having to track this with the moving object.
  • the system according to the invention can also be used in cinema technology as an "all-round camera”. At the same time, it can be used to project the recordings obtained in this way. For example, were obtained with a system according to the invention as a camera.
  • light-emitting units the elements of which can be controlled individually, are now to be arranged in object plane 0 of lens system 1.
  • LCD, LED or picture display tubes can be used here.
  • the reproduction of films that were gained during the movement become the impressions in classic panorama or all-round cinemas, where the latter often have disillusioning picture edges because several cameras are involved. surpass.
  • Another area of application opens up the system according to the invention in endoscopy.
  • the object according to the invention offers new, improved starting points for the purpose of orienting machines in space.
  • a stereoscopic orientation can take place with two of these "artificial eyes", in which the image impressions obtained are processed in a computer.
  • Lens systems according to document 1) have some of the same positive properties as the system according to the invention, only that in the former the freedom of construction is severely restricted by the restriction to concentric spheres or hollow spheres of one medium, which is the case in a number of cases From the outset, a design disadvantage meant optimization of the design for the respective task. However, it is
  • REPLACEMENT LEAF System usually not much more difficult to manufacture than that from document 1).
  • the system according to the invention maps distortion-free onto the conjugated, likewise concentric image shell 3 for each held concentric object shell 0.
  • This distortion-free image on the curved image plane 3 can be converted into a distortion-free image on a plane plane if the image point by pixel on the curved image shell is projected onto the plane in such a way that the respective image point obtained on the plane, the generating one
  • the pixel on the curved image field 3 and the center of the diaphragm 2 can be connected by an exact straight line.
  • This rule would thus fix the start and end point of a light guide cable which connects the curved concentric screen 3 to the planar image field to be generated, if freedom from distortion is also desired on the planar image field.
  • Fig.1 the arrangement of the elements of the optical system according to the invention
  • Fig.2 some possible forms of the lens system 1st
  • Fig.3 the spot diagrams for visual field diameters of 0; 40; 80; 120 and 160 degrees according to embodiment 1
  • REPLACEMENT LEAF Fig.4 the spot diagrams for visual field diameters of 0; 40; 80; 120 and 160 degrees according to embodiment 2 Fig. 5,6,7- the aberration of the wavefront for 486,13; 546.07; and 656.27 nanometers for the
  • FIG. 1 shows a special embodiment on an enlarged scale, this drawing roughly representing the geometry of the second embodiment to be explained.
  • Light that comes from a point of the object plane 0 strikes the lens system 1, in which a diaphragm 2 is arranged, and then onto the image plane 3.
  • the center of the diaphragm 2 is preferably the center of all optically active surfaces of the lens system 1 as well as the curved image field 3 and the object field 0.
  • a detector 6 is arranged in the image plane 3.
  • One or more image field flattening lenses 7 arranged in front of the image plane 3 can serve to flatten it. These field-flattening lenses 7 are parallel to tangent planes to the curved image field 3.
  • the aspherical correction plate 5 can be introduced into the plane of the diaphragm 2.
  • Light-guiding elements 8 are arranged in the plane of the image field 3.
  • An afocal attachment system 9 can be placed in front of the lens system 1, its diaphragm 2 coinciding with the position of the real exit pupil of the afocal attachment system 9.
  • the image plane 3 can be designed as a mirror 10, whereby a retroreflector is created.
  • Tab. 1 gives the design data of exemplary embodiment 1 with the expected refractive indices of the types of glass used, which are assigned to the wavelengths.
  • the column distance gives the distance between the corresponding surface and the subsequent surface seen in the direction of the incidence of light.
  • Image field - 499.788 mm.
  • the example system consists, seen in the order of the incidence of light, of a hemispherical shell made of ZK1 with the glass number 533580 and concentric with the center of the diaphragm 2, followed by a fluorite lens with the glass number 434954 which is to the left and right of the plane of the diaphragm 2 is delimited by two radii which are concentric to the center of the diaphragm, but which are also of different sizes, which is followed by a hemisphere made of KF1 with the glass number 540511, which is also concentric to the center of the diaphragm.
  • REPLACEMENT LEAF which radii are limited and, furthermore, the adjoining spherical half-shells are of different thicknesses and also consist of different optical material, so that for embodiment 1 according to the invention, too, the difference to the systems of concentrically arranged spheres and hollow spheres claimed in document 1) is clear becomes.
  • the free opening of the system with a diameter of 100 mm is realized with respect to the e-line by a free opening in the panel 2 of the exemplary embodiment 1 of 69.689 mm.
  • the exemplary embodiment 1 according to the invention is therefore optimized in terms of its imaging properties in the case of the objective with respect to object planes 0 that are infinitely distant.
  • the linear diameter of the diffraction disk which is known to be independent of the focal length, is approximately 0.0067 mm for an optical system without central obstruction with the number of openings 5 for the wavelength 546.07 nm. This results in the diffraction limitation for embodiment 1 from focal lengths less than 200 mm. As usual, a corresponding downscaling with regard to all radii, distances and diameters would have to be carried out. For a desired 80 mm focal length, the scaling factor would be 8/50. For example, the outer radii of the exemplary embodiment would result in 40 mm. The diameter of the scattering figure is then 0.0026 mm and is therefore noticeably smaller than the Airy disc.
  • a diameter of 0.006 mm is obtained for the scattering disc with respect to the F line, which roughly sets the limit for the possibilities of this design example at a focal length of 500 mm and an aperture of 5.
  • the wavefront aberration is 1.044 waves at 486 nm, 0.592 waves at 546 nm and 0.581 waves at 656 nm with respect to the wavelength 546 nm.
  • Embodiment 2 is intended to show what possibilities the system according to the invention has, since compared to document 1) additional degrees of freedom Construction exist. It is possible to further reduce the spot diameter and, what is even more important, to reduce the wavefront aberrations considerably. See FIGS. 5, 6 and 7. It can be seen that the Rayleigh criterion of 1/4 wavelength is fulfilled for a diffraction-limited image in the middle of the wavelengths.
  • Fig. 4 shows the associated spot diagram. The small circle is the Airy disk for the wavelength 546 nm.
  • Image field - 499.9003 mm.
  • the free diameter of the diaphragm 2 is determined to be 73.695 mm in order to allow a parallel bundle of 100 mm in diameter to enter the lens system 1 of exemplary embodiment 2.
  • the focal length in the image space is 500 mm. This results in opening number 5 in exemplary embodiment 2.
  • Embodiment 3 illustrates the use of an aspherical correction plate according to the coatings 10 and 11 of claim 1.
  • the Korrekto ⁇ latte 5 is formed in the embodiment 3 as an air lens.
  • the aspherical surfaces of the correction plate 5 are formed on the surfaces of the lens shells adjacent to the diaphragm 2.
  • a simple example of only one type of glass is given that is optimized for a field of view diameter of 6 degrees and a wavelength of 486 nm.
  • the scattering discs remain below 0.0078 mm.
  • additional concentric shells made of other optical materials can be added.
  • the area 2 is the area that lies directly in front of the plane of the diaphragm 2 in the direction of the incidence of light.
  • Surface 3 is the surface that immediately follows the plane of the diaphragm 2 in the direction of the incidence of light. Both surfaces are designed as aspherically deformed plane surfaces, but can generally also contain a radius term in order to minimize the sphero-chromatic aberrations in the case of complex lens arrangements with the aid of an opposite longitudinal color error.
  • both surfaces are separated by an air lens. It is important to keep this distance as small as possible in order to disturb the concentric symmetry as little as possible.
  • the two lens shells on the left and right of the diaphragm 2 are made of the same optical material in order to rule out color magnification errors.
  • the arrangement is therefore no longer purely concentric, due to higher order aberrations in the correction plate 5.
  • the free diameter of the diaphragm 2 results in 66.051 mm.
  • the data from image-field-flattening lenses 7 for embodiment 2 are calculated with respect to practically existing detector elements 6.
  • the radius of the image-field-flattening lens 7, which faces the respective detector element 6, should be designed as a flat surface.
  • the radius of the field-flattening lens 7, which faces the lens system 1, therefore immediately follows from equation [2]: Rlel -171.5321 mm for BK7 at the wavelength 486.13 nm.
  • the lens system 1 supplies with a single large image field flattening lens 7.
  • a plurality of planarization lenses 7 can be formed, each of which forms tangential planes to the curved image field 3 of the lens system 1.
  • the leveling lenses 7 are therefore each perpendicular to the main beam which is assigned to a given object point and passes through the center of the diaphragm 2.
  • the center thickness of the field flattening lens 7 should generally be kept small.
  • the flat surface of the leveling lens 7 should lie directly on the surface of the detector element 6, but this is not a requirement in the general case. With the aid of a suitable deflection of the leveling lens 7, the distortion introduced can also be virtually eliminated.
  • Table 4 gives the data of the field-flattening lenses 7 and their distance from the last lens vertex of the lens system 1 of the exemplary embodiment 2.
  • the radius and the distance of the leveling lens 7 were computer-optimized, so that these values differ somewhat depending on the field of view to be leveled
  • the value of equation [2] differs, which follows only from the 3rd order theory.
  • the center thickness of the leveling lens is 1 mm in each case. Its rear radius R2el is designed as a flat surface.
  • the column distance shows the distance from the front vertex of the respective leveling lens 7 to the vertex of the last surface of the lens 1 of the exemplary embodiment 2.
  • the image area coincides with the flat surface of the leveling lens.
  • IR8 SPARE SHEET The leveling lenses 7 were each optimized for object fields of 2; 4; 8 and 16 degrees.
  • FIGS. 11 to 14 show the astonishingly good image quality on the now flat image field.
  • the system according to the invention can thus find its way into conventional image recording technology. It can be expected that the CCD technology will also dominate in the photo technology in the future. As a result, it is no longer necessary to maintain a larger distance between the last lens apex and the detector, since there are no moving parts. Because of this fact, this version of the system according to the invention is suitable as a standard lens.
  • the color correction of exemplary embodiment 4 is the same as that of exemplary embodiment 2.
  • the wave font aberrations remain in the wavelength range between 486 and 656 nm under 1/3 wave with respect to the wavelength 546 nm.
  • Both exemplary embodiments 2 and 4 can thus be used visually and easily the best telescope triplets with fluorite optics with the same number of openings.
  • an inventive system is given according to claim 5, in which an afocal attachment system 9 is used.
  • the afocal attachment system 9 consists of two collecting, confocal parabolic mirrors.
  • the imaging lens system corresponds to that of embodiment 1.
  • the afocal attachment system 9 constricts the bundle diameter of light incident parallel to it by a factor of 3. It thus has the magnification 3, which is the ratio of the tangent to the angle of parallel light bundles in the exit pupil relative to the entrance pupil gives.
  • the afocal attachment system 9, consisting of two confocally arranged parabolic mirrors is in itself free of coma and astigmatism in the 3rd order and free of spherical aberration in every order. For the selected enlargement of 3, the selected attachment system 9 is additionally free of 3rd order distortion.
  • Rlpar is the axial radius of curvature of the first parabolic mirror towards the
  • REPLACEMENT LEAF parallel bundles seen in the light movement and where Rimage field is the radius of curvature of the image field 3 which the lens system 1 designs alone.
  • R2par denotes the axial radius of curvature of the second parabolic mirror.
  • the fulfillment of equation [2] stands in the way that the distance of the intermediate image plane, which forms the first parabolic mirror, from the plane of the real exit pupil, which is formed by the afocal attachment system 9 from both parabolic mirrors, is too small is relative to the diameter of the lens system 1.
  • the real exit pupil being closer to the first parabolic mirror by the distance delta than the intermediate image plane generated by the latter.
  • the total focal length from the afocal attachment system 9 and lens system 1 is given in terms of amount:
  • an afocal attachment system 9 consisting of two confocal collecting parabolic mirrors is given below:
  • delta 400 mm results, which allows the beam paths to be separated.
  • a small plane mirror is now introduced into the plane of the intermediate image, which is formed by the first parabolic mirror, and e.g.
  • the lens system 1 is thus no longer in the way with regard to light incident parallel to the optical axis on the first parabolic mirror, since its center is 400 mm from the optical axis which runs between the parabolic mirrors and its radius is 250 mm.
  • the exemplary embodiment 5 is not too practical. However, it is only a simple demonstration of the possibility of arranging an afocal attachment system 9 in front of the lens system 1, the plane of the real exit pupil of the afocal attachment system 9 coinciding with that of the diaphragm 2 of the lens system 1. It is clear to the person skilled in the art that other afocal attachment systems 9 can be formed which result in a more favorable overall geometry. Such an afocal attachment system 9 can in particular be a telescope of the Kepler type, which results in a real exit pupil.
  • the magnification of the afocal attachment system 9 can also be designed to be variable, so that the overall focal length of the optical system comprising the afocal attachment system 9 and the lens system 1 also becomes variable.
  • such an afocal attachment system 9 can also be designed to be variable, so that the overall focal length of the optical system comprising the afocal attachment system 9 and the lens system 1 also becomes variable.
  • such an afocal attachment system 9 can also be designed to be variable, so that the overall focal length of the optical system comprising the afocal attachment system 9 and the lens system 1 also becomes variable.
  • such an afocal attachment system 9 can also be designed to be variable, so that the overall focal length of the optical system comprising the afocal attachment system 9 and the lens system 1 also becomes variable.
  • such an afocal attachment system 9 can also be designed to be variable, so that the overall focal length of the optical system comprising the afocal attachment system 9 and the lens system 1 also becomes variable.
  • REPLACEMENT BU ⁇ I be designed in such a way that the focusing for different object widths is taken over by the latter, so that it provides substantially parallel bundles for different object widths in its real exit pupil.
  • the radius of the image field 3 of the lens system 1 can now remain constant with respect to object planes that are at different distances.
  • the aperture 2 in the lens system 1 can otherwise be omitted in such an arrangement.
  • the radius of curvature of the optimally adapted image field of embodiment 5 is:
  • Image field - 1119.07 mm.
  • the total focal length of embodiment 5 is 1500 mm with a free aperture of 300 mm.
  • the diameters of the scattering disks are smaller than the single lens in the angular dimension by the factor of the magnification v, while they are of the same order in the linear dimension.
  • 15 shows a lens system 1 which corresponds to that of embodiment 2. This is preceded by an afocal subsystem which is aplanatic and anastigmatic in the 3rd order and is distortion-free.
  • the Petzval sum of this afocal attachment system 9 is determined such that it compensates for that of the lens system 1.
  • the afocal attachment system 9 cannot be seen in FIG. 15.
  • a flat image field of 20 degrees is realized.
  • 15 shows the beam path for inclinations of the main beam against the optical axis of 2.5; 5; 7.5 and 10 degrees. It can clearly be seen that the position and inclination of the exit pupil is a function of the angle of inclination of the main beam.
  • the aberration of the exit pupil is based on the curvature of the Petzval shell of the afocal subsystem 9, which is introduced to compensate for that of the lens system 1.
  • This aberration of the exit pupil only makes it possible to flatten the image field 3 in the otherwise symmetrical lens system 1 - a process that remains unexamined as long as the position of the paraxial exit pupil is generally identified with the field-dependent position.
  • a system according to the invention according to claim 7 is given for the cinema projection.
  • exemplary embodiment 2 is used, the image plane 3 of which now serves as object plane 0, in which a matrix of individually controllable, light-emitting elements is arranged.
  • Embodiment 6 is designed for an assumed projection distance of 40 meters. The cinema hall would thus also have a radius of 40 meters in relation to the center of the aperture of the system according to the invention now used as a projection.
  • exemplary embodiment 2 is optimized for the selected projection distance.
  • the direction of the light path through the lens system 1 is now reversed compared to that of the exemplary embodiment 2.
  • Image plane 3 of this exemplary embodiment now becomes object plane 0.
  • radius of curvature is chosen to be somewhat larger in order to adapt to the desired projection distance of 40 m. Further modifications of the lens system 1 are not necessary for this task, but can, if necessary, serve to further refine the correction of the image.
  • the radius of the object field results in:
  • Image field - 40,000 mm.
  • the system according to the invention now very generally represents a projective of a given imaging scale that can be developed at least for an object width with virtually no errors.
  • the imaging scale results simply from the quotient of the radius of the image field curvature to the radius of the object field curvature or, to put it simply, as a quotient from image width to object width.
  • the imaging scale is equal to zero, we have the special case of the objective that is infinitely focused on the object width. If the imaging scale is infinite, the case of the collimator results. Between these two extremes lies a number of other cases that can be characterized as an enlarging or reducing projective, whereby the case of the reducing projective corresponds mostly to the case of the photographic lens, which is focused on an object world whose distance from the center of the lens system 1 much larger than its focal length for the object distance is infinite.
  • the case of the magnifying projective corresponds to the case of, for example, a microscope objective, or simply the lens in magnifying apparatus, in which the object shell 0 is outside the simple focal length for an infinite object width, but is again closer to the center than the image shell.
  • the system according to the invention can be used to operate virtually error-free projection, i.e. Enlargement or reduction of object shells 0 which are concentric to the center of the diaphragm into conjugated images 3 which are also concentric to the center of the diaphragm.
  • good microscope objectives can be specified which magnify object fields 0 with a large linear extension to conjugate image fields 3 map, whereby the "off-axis" quality is not inferior to the axial image quality.
  • projection systems which, for example in semiconductor production, can be used to expose the desired structures onto light-sensitive material in a greatly reduced size with high precision.
  • a system according to the invention is designed according to claim 8.
  • the image plane 3 is designed as a mirror.
  • the lens system 1 is that of embodiment 2.
  • a spherical concave mirror 10 is introduced into the plane of the image field 3 of the lens system 1, the radius of curvature Rlsph of the concave mirror 10 being equal to that of the image field 3 of the lens system 1 in the embodiment 2. So it follows:
  • REPLACEMENT LEAF Use as a projection system in cinema technology, microscopy, in optical and optoelectronic enlarging and reducing apparatuses; its use in angular measurement technology; its use as an artificial eye for machines; its use as a collimator, in lighting technology and as headlight optics; its use in space and military technology; its application as a photo or video lens; its use as a magnifying glass, eyepiece or as a magnifying glass; its use as a coupling and decoupling device for the transmission of light signals in the transmission of optical fibers; its use in computing technology by introducing switchable elements in the plane of the diaphragm 2 or in another plane; its use as an optical window in observation systems for industrial and craft production and in space technology; its use in the architecture and design of buildings based on optical or lighting reasons; its use in medical technology, especially in endoscopy; its use in systems of surveillance and security technology; its use in astronomical research and sky surveillance, especially as a meteor early warning system and for tracking and measuring satellite orbits

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Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein optisches System, das aus einem Linsensystem (1), in dem eine Blende (2) angeordnet ist, einem Bildfeld (3), in dem Detektoren (6) angeordnet sind, und einem Objektfeld (0) besteht, wobei vorzugsweise die Radien des Linsensystems (1), des Bildfeldes (3) und des Objektfeldes (0) einen gemeinsamen Mittelpunkt, der zugleich Mittelpunkt der Blende (2) ist, aufweisen. Bildfeldebnungslinsen (7) können das gekrümmte Bildfeld (3) ebnen, wobei diese geebneten Bildfelder parallel zu Tangentialebenen an das gekrümmte Bildfeld (3) liegen. Eine oder mehrere Flächen des optischen Systems sind als spiegelnde Flächen (4) ausbildbar. Eine asphärische Korrektorplatte (5) ist in die Ebene der Blende (2) einbringbar. Das gekrümmte oder geebnete Bildfeld (3) wird mit lichtleitenden Elementen (8) den Detektoren (6) zugeführt, wobei erstere gegeneinander und gegen die Bildebene (3) verschiebbar sind. Vor dem Linsensystem (1) ist ein vorzugsweise afokales Vorsatzsystem (9) einbringbar, daß zur Fokussierung und Ebnung des Bildfeldes (3) dient. Mit änderbarer Vergrößerung des Vorsatzsystems (9) wird die Gesamtbrennweite des optischen Systems variabel. Die Bildebene (3) ist als Spiegel (10) ausführbar, sodaß ein Retroreflektor entsteht.

Description

Optisches System hoher Symmetrie
Die Erfindung geht aus von einem Linsensystem mit sphärischer Symmetrie . Ein solches Sys¬ tem ist bereits in der Druckschrift 1) dem Patent US 5004328 beschrieben, in der der spezielle Fall von konzentrisch angeordneten Kugeln und Hohlkugeln behandelt wird. Aufgabe des erfindungsgemäßen Gegenstandes soll es sein , den Begriff konzentrischer Sym¬ metrie auf weniger offensichtliche Fälle und hierbei auf einen viel größeren Lösungsbereich an¬ zuwenden ,um insbesondere verfeinerte Möglichkeiten der Korrektur des Farblängsfehlers und der sphärochromatischen Aberration zu erhalten, dabei die mögliche Lichtstärke zu erhöhen und Freiheitsgrade in der optischen Konstruktion zu gewinnen, wie es beispielsweise für die optimale Anpassung an spezifische Aufgaben, wie z.Bsp. als Solarkollektor, notwendig wird. Es werden im erfindungsgemäßen System hierbei durch Anspruch 1 alle die Fälle ausgeschlos¬ sen, die bereits durch die Druckschrift 1) beansprucht sind, sodaß es zu keinerlei Überschnei¬ dungen der Schutzbereiche kommt.
Es ist insbesondere Ziel des erfindungsgemäßen Systems die Größe der sphärochromatischen Aberrationen, die in der Druckschrift 1) bedingt dadurch, daß stets zwei Radien paarweise be¬ tragsmäßig gleich sind, nur begrenzt korrigierbar sind, auf ein wesentlich niedrigeres Niveau zu bringen. Insbesondere hat sich das erfindungsgemäße System die Aufgabe gestellt, die bei Korrekton des Farblängsfehlers bleibenden sphärochromatischen Restfehler für eine Öfϊhungs- zahl des Linsensystems von 5 soweit zu drücken, daß Systeme bis zu 200 mm Brennweite eine beugungsbegrenzte Abbildung liefern, wobei in diesem Fall das abgebildete Objektfeld mehr als 20600 Quadratgrad umfaßt und dann z.Bsp. auf eine Halbkugel von 400 mm Durchmesser abgebildet wird. Entsprechend sollen erfindungsgemäße Systeme bis 500 mm Brennweite der¬ selben Öffhungszahl zwischen den Linien c und F des Lichtspektrums eine Abbildungsqualität erreichen, die einem Zerstreuungsscheibchen von kleiner 0.02 mm entspricht, wodurch die An¬ passung an das Auflösungsvermögen der dem Stand der Technik nach vorhandenen Detektor¬ elemente, wie die Kantenlänge von CCD-Pixeln, erreicht wäre, wobei die Abbildung in diesem Fall auf eine Halbkugel von 1000 mm Durchmesser erfolgt. Dabei soll diese Zielstellung mit einer möglichst geringen Anzahl von Flächen verwirklicht werden.
Ein anderes Ziel der Erfindung ist es das gekrümmte Bildfeld 3 des Linsensystems 1 wenig¬ stens stückweise stetig an plane Oberflächen von Detektoren 6 anzupassen, wobei diese An¬ passung die vorhandene Symmetrie nur möglichst wenig stören soll. Die Verfeinerung der Korrektion der sphärischen Zonenfehler ist ein weiteres Ziel, wobei das
EBSATZBLATV besondere Augenmerk daraufgerichtet ist die Korrektion dieser Aberration weitestgehend von der Korrektion des Farblängsfehlers zu entkoppeln.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es das Linsensystem insbesondere für den Einsatz als Ener¬ giekollektor zu optimieren.
Es sollen ferner Wege aufgezeigt werden, wie die mit dem erfindungsgemäßen optischen Sys¬ tem gewonnenen Informationen wiedergegeben werden können und hier insbesondere unter Verwendung des erfindungsgemäßen Linsensystems 1 als Projektionssystem in der Kinotech¬ nik. Nicht zuletzt sollen Lösungsvarianten gegeben werden, die eine Fokussierung des Linsen¬ systems 1 für unterschiedliche Objektweiten ermöglicht.
Es wurde ein optisches System geschaffen, bei dem Licht, das von einer Objektebene 0 kommt auf ein Linsensystem 1 auftrifft, in dem eine Blende 2 angeordnet ist. Alle Radien des Linsen¬ systems 1 sowie die gekrümmte Bildebene 3, in der ein Detektor 6 angeordnet ist, haben subs¬ tantiell den den gleichen Mittelpunkt - den Mittelpunkt der Blende 2.
Die optischen Materialien, die sich zwischen solcherart konzentrisch ausgebildeter Radien be- finden,können prinzipeil alle voneinander verschieden sein. D.h. auch Schalen gleicher Geome¬ trie, die links und rechts der Blende 2 angeordnet sind, können aus verschiedenem optischen Material bestehen. Nur das optische Material, das sich unmittelbar links und rechts der freien Öffnung der Blende 2 befindet, sollte vorzugsweise identisch sein, um Farbvergrößerungsfehler auszuschließen. Ebenfalls konzentrisch zum Mittelpunkt der Blende 2 können spiegelnde Flä¬ chen 4 angeordnet werden, um den Lichtweg zu falten und gegebenenfalls die Lichtstärke des optischen Systems zu erhöhen.
Zur weiteren Verfeinerung der Korrektion der sphärischen Zonenfehler ist in die Ebene der Blende 2 eine asphärische Korrektorplatte 5 einbringbar, deren Oberflächengestalt der einer konventionellen Schmidtplatte im gleichnamigen Spiegelsystem verwandt ist. Um das gekrümmte Bildfeld 3 des Linsensystems 1 zu ebnen sind kleine Ebnungslinsen 7 kurz vor der Ebene des Bildfeldes 3 einbringbar, die eine Abbildung auf plane Detektoren 6 etwa gleicher Dimension wie die der Ebnungslinsen 7 bewirken, wobei diese Detektoren 6 mit ihrer Oberfläche parallele Ebenen zu Tangentialebenen an das gekrümmte Bildfeld 3 bilden. Die Aufzeichnung und Weiterverarbeitung der Bildinformationen auf dem gekrümmten Bild¬ feld mittels einer matrixförmigen Anordnung aus CCD-Empfängern ist im Anspruch 2 veran¬ kert, wobei die Speicherung der Informationen auf üblichen elektronischem Weg wie Aufzeich¬ nung auf Videoband oder andere Datenträger erfolgen kann . Um das Ziel des erfindungsgemäßen Gegenstandes, die Fokussierung auf unterschiedliche Bild-
ERSATZBLATT weiten, die unterschiedlichen Objektweiten zugeordnet sind, zu ermöglichen ohne hierbei von dem ebenfalls zum Mittelpunkt der Blende 2 konzentrisch angeordnetem Bildfeld 3, welches je nach Bildweite verschiedene Krümmungsradien aufweist, wesentlich abzuweichen und somit keine wesentliche Störung der Symmetrie zuzulassen, wird eine quasikontinuierliche Änderung des Krümmungsradius der Detektorfläche, die sich an das jeweilige Bildfeld 3 anschmiegt, vorgenommen.Undzwar wird das nach Anspruch 3 dadurch erreicht, daß rotationssymmetrisch zu der Achse, die durch den Mittelpunkt der Blende 2 geht und normal auf der Ebene dieser Blendenfläche steht, zylindermantelformige Bereiche 8 angeordnet sind, die in Richtung dieser Achse und relativ zueinander verschiebbar sind. Diese zylindermantelförmigen Bereiche 8 kön¬ nen an ihrer Stirnseite, die sich dem Bildfeld 3 anschmiegt, Detektorelemente 6 tragen, oder die zylindermantelförmigen Bereiche 8 können ihrerseits aus lichtleitenden Fasern 8 bestehen, die das Bild der weiteren Verarbeitung auf beispielsweise einen planen Detektor 6 zuführen. Die notwendige differentielle Verschiebung der zylindermantelförmigen Bereiche 8 gegenein¬ ander bei Fokussierungsvorgängen auf unterschiedlich gekrümmte Bildfelder 3 kann hierbei zum Beispiel mittels einer sinnvollen mechanischen Vorrichtung erfolgen, die aus einer gege¬ benen Position und der Größe der Verstellbewegung, die für das axiale Detektorelement des Detektors 6 zur Fokussierung nötig ist, eine Steuergröße ableitet, die dann zum Beispiel über eine Art Kurvensteuerung automatisch die richtigen Verstellbewegungen für die sich außerhalb der Achse befindlichen, zylindermantelförmigen Elemente 8 erzwingt.
Hierbei sind vorteilhafterweise die Geometrien der Stirnseiten der zylindermantelförmigen Be¬ reiche 8 so gewählt und auf eine mittlere Fokussierungslage abgestimmt, daß sich für die zu verarbeitenden maximalen Einstellbereiche möglichst kleine Sprünge zwischen den Stirnseiten der einzelnen zylindermantelförmigen Bereiche 8 ergeben.
Somit wird der wesentliche Nachteil konzentrischer optischer Systeme - nämlich der der nicht vorhandenen Fokussierbarkeit auf verschieden gekrümmte Bildfelder 3, die verschieden weit entfernten Objektfeldern 0 zugeordnet sind, umgangen ohne hierbei merklich die Symmetrie der konzentrischen Anordnung preiszugeben. Die Feinheit der Annäherung der quasikontinu¬ ierlichen Radiusanpassung an verschieden gekrümmte Bildfelder 3 ist hierbei nur eine Funktion der Anzahl der zylindermantelförmigen Bereiche auf einem gewissen Bildfeld 3 und der günsti¬ gen Anpassung ihrer Stirnseitengeometrie.
Wird auf diesen Mechanismus zur Fokussierung verzichtet, so wird vorzugsweise der Radius des Bildfeldes 3 so groß gewählt wie diejenige Bildweite des Linsensystems 1, die sich für die am häufigsten abzubildenden Objektweiten ergibt.
ERSATZBLATT Für die Beobachtung von beispielsweise astronomischen Objekten entspricht die Bildweite der paraxialen Brennweite für parallel einfallendes Licht, allerdings etwas modifiziert um auf die Ebene des kleinsten Zerstreuung oder des wellenoptisch besten Fokus einzustellen. Mit den vorbeschriebenen Maßnahmen kann das erfindungsgemäße System Einzug in die bild¬ mäßige Fotografie und insbesondere Videografie halten. Bei Serienherstellung dürfte der Ver¬ stellmechanismus für kleine Systeme bis etwa 50 mm Brennweite ökonomisch herstellbar sein. Die neue Qualität des erfindungsgemäßen Systems ist vor allem dadurch gegeben , daß es kei¬ ne optisch ausgezeichnete Achse besitzt. Während konventionelle optische Systeme, wie z.Bsp. Fotobjektive,Fernrohrobjektive,Mikroskopobjektive, Okulare u.a. eine ausgezeichnete optische Achse besitzen,die hauptsächlich die Folge des Strebens nach einem ebenen Bildfeld und damit der Nullstellung der Petzvalsumme ist, tritt im erfindungsgemäßen System immer eine Krüm¬ mung des Bildfeldes 3 und des ihm konjugierten Objektfeldes 0 auf, wobei beide wiederum konzentrisch zum Mittelpunkt der Blende 2 liegen. Die unendlich vielen optischen Achsen des erfindungsgemäßen Systems sind leicht ineinander durch Drehtransformationen überführbar. Für zentrierte Folgen von optischen Flächen mit nur einem axialen Krümmungsradius wie sie zum Bsp. die symmetrisch zu einer Achse liegenden Kegelschnitte darstellen, tritt nun auf der Achse weder Koma, noch Astigmatismus, noch Verzeichnung auf und zwar in keiner noch so kleinen Ordnung, d.h. solch eine zentrierte Folge von Kegelschnitten ist vollkommen frei von Koma, Astigmatismus und Verzeichnung auf der Achse. Beim erfindungsgemäßen System sind bedingt dadurch, daß alle Flächen substantiell sphärisch sind,alle durch den Krürnmungsmittel- punkt gehenden Geraden optische Achse und können durch Drehtransformation ineinander überführt werden. Die optische Achse für ein beliebig einfallendes Bündel aus einer beliebigen Richtung wird erzwungen durch die Anordnung der Blende (2) in der Ebene des Krümmungs¬ mittelpunktes der sphärischen Flächen.
Da nun auf jeder dieser Achsen die Abbildung vollkommen frei von Koma .Astigmatismus und Verzeichnung ist, so ist der maximal halbraumförmige Objektraum insgesamt vollkommen frei von Koma, Astigmatismus und Verzeichnung auf den konjugierten Bildraum übertragbar. Nun wird man allerdings stets auf eine konzentrische Schale gewisser Mächtigkeit im Objekt¬ raum scharfstellen, indem man auf eine ebenfalls konzentrische Schale im Bildraum mit einem definierten Krümmungsradius " fokussiert ". Die Ausdehnung der Schale des Objektraumes in der Tiefe, die man aus dem Objektraum herausgreift, entspricht dann dem zugelassenen Zer- streuungsscheibchen auf der Bildschale. Das erfindungsgemäße System weist nun unvermeidbar doch eine ausgezeichnete Achse aus.
ERSATZ3LATT Undzwar ist das die Achse höchster Bildhelligkeit,die durch den Mittelpunkt der Blende 2 geht und in Richtung der Normalen der Blendenebene liegt.Für geneigt gegen diese Normale einfal¬ lende Bündel präsentiert sich die Ebene der Blende 2 im tangentialen Schnitt verkürzt, wobei die jetzt elliptisch erscheinende Projektion der Blendenfläche mit dem Kosinus des Einfallswin- winkels gegen die Normale in ihrer Fläche verringert wird , wodurch nun die Intensität des außeraxialen Bildpunktes und damit im Gefolge die örtliche Beleuchtungsstärke mit eben die¬ sem Kosinus des Einfallswinkels abnimmt. Es sei in diesem Zusammenhang darauf hingewiesen daß für Objektive mit ebenen Bildfeld diese Abnahme der Beleuchtungsstärke mit der 4.Potenz des Kosinus des Einfallswinkels zur Normale einhergeht, wobei eine Potenz durch die Blende, zwei Potenzen durch den zum Rand des Bildfeldes hin zunehmenden Abstand und damit auf ein quadratisch zunehmendes Flächenelement und eine Potenz durch die Projektion dieses Flächenelements auf die zu diesem Flächenelement geneigte Bildebene 3 zurückgehen. Im Fall des erfindungsgemäßen Systems fallen die letzten beiden Faktoren weg, da der Abstand der Bildebene 3 unabhängig vom Einfallswinkel ist und da sich stets ein Flächennelement eines ein¬ geschnürten Bündels senkrecht auf die Bildebene 3 an dieser Stelle projiziert. Das erfindungsgemäße System ist also sowohl vorteilhaft durch seine außeraxiale Abbildungs¬ qualität, die der axialen Abbildungsqualität gleicht, als auch durch seinen geringeren Lichtab¬ fall zum Rande hin. Während also für ein gewöhnliches Objektiv mit bspw. ebenen Bildfeld die Beleuchtungsstärke für 120 Grad Objektfeld etwa nur 1 / 16 der Beleuchtungsstärke in der Achse normal zur Blendenebene ergibt, ist beim gleichen Objektfeld im erfindungsgemäßen System die Beleuchtungsstärke am Rande des konjugierten Bildfeldes 1/2 derjenigen Beleuch¬ tungsstärke im Schnittpunkt von Flächennormale der Blende 2 und des Bildfeldes 3. Im Allgemeinen wird die Bildqualität im erfindungsgemäßen System zum Rande hin noch etwas besser sein als in der Achse der höchsten Beleuchtungsstärke, also der Achse normal zur Blendenebene. Die Erklärung ist einfach. Wäre das geneigt zu der Blendennormale einfallende Bündel von gleicher Querschnittsgeometrie wie das Bündel,das in Richtung der Normalen ein¬ fällt, so wären die erzeugten Zerstreuungsscheibchen auf der Bildfeldebene ihrer Geometrie nach vollkommen identisch. Die geneigt zur Blendennormale einfallenden Bündel werden aber wie schon gesagt durch die Blende 3 in tangentialer Richtung so beschnitten, daß diese Bündel ihrem Querschnitt nach etwa elliptisch werden, wobei die große Achse dieser Ellipse in sagit- taler Richtung liegt.Dadurch bedingt werden nun stets Randstrahlen eines einfallenden Bündels an der Blendenebene zurückgehalten und zwar am meisten im tangentialen Schnitt und am we¬ nigsten - nämlich garkeine - im sagittalen Schnitt. D.h. aus der kreisförmigen Zerstreungsfigur
ERSΛTZBLATT in der Bildebene 3 für das in Richtung der Blendennormalen einfallende Bündel wird nun eine im allgemeinen in tangentialer Richtung verkürzte Zerstreuungsfigur für geneigt zur Blenden¬ normalen einfallende Bündel entstehen, wobei die sagittale Ausdehnung dieses Scheibchens dem Durchmesser des kreisförmigen Zerstreuungsscheibchens im Schnittpunkt von Blenden¬ normale und Bildfeld 3 entspricht. Die Verringerung der Ausdehnung vornehmlich im tangen¬ tialen Schnitt für Zerstreuungsscheibchen, die von geneigt gegen die Blendennormale einfal¬ lenden Bündeln verursacht werden, ist nun aber eine komplizierte Funktion insbesondere der Art der Korrektion der transversalen Abberationen, die man für das axiale Scheibchen gewählt hat. Es steht nur eines fest: Zerstreuungsscheibchen für geneigt gegen die Blendennormale ein¬ fallende Bündel sind auf jeden Fall nicht größer als dasjenige Scheibchen für das in Richtung der Blendennormale einfallende Bündel, wobei einmal vorausgesetzt sei, daß man keine Ab¬ weichungen von der Konzentrizität des Bildfeldes 3 zuläßt.
Damit definiert nun sehr einfach die Bildqualität in der Achse , die normal zur Blendenebene steht, die Bildqualität, die mindestens erreicht wird für ein Gesichtsfeld von bis zu 180 Grad Durchmesser, beziehungsweise einer Bildfeldfläche von etwa 20600 Quadratgrad. Mit anderen Worten ist etwas sehr erstaunliches möglich - erreicht man nämlich beugungsbe- grenzte Qualität auf dem Schnittpunkt von Blendennormaler und Bildfeld 3, so erreicht man gleichzeitig beugungsbegrenzte Abbildungsqualität auf dem gesamten Bildfeld 3 und das auch noch verzeichnungsfrei.
D.h.., daß sich ohne weiteres Systeme angeben lassen, die beispielsweise den gesamten an ei¬ nem Ort auf der Erde zu einem definierten Zeitpunkt sichtbaren Sternenhimmel beugungsbe- grenzt und verzeichnungsfrei abbilden, womit zumindestens hinsichtlich dieser Aufgabe von erreichter Perfektion gesprochen werden kann.
Was eine einzige derartige Aufnahme an Information bedeuten würde sei dargestellt für den Fall, daß es gelingt ein Objektiv mit 100 mm freier Öffnung ( welche nicht gleichbedeutend mit dem kleineren Durchmesser der Blende 2 ist ) und einer Brennweite von 500 mm zu bauen, welches beugungsbegrenzt abbilden soll. Rechnet man mit Bildscheibchen von 2 Bogensekun- den, d.h. die geometrischen Bildfehler müssen noch um einiges darunter bleiben, so erhält man rund 20600 x 1800 x 1800 theoretisch unterscheidbare Bildelemente, von denen im linearen Maß jedes 0.00485 mm groß wäre, also kleiner als CCD - Pixel nach dem Stand der Technik. Eine 4 Million -Pixel - CCD hat Kantenlängen von 0.015 mm. Es ist aber anzunehmen , daß dieser Wert zumindestens für gewisse Zwecke gesenkt werden kann. Dieses Objektiv erbrächte also die Informationsflut ( sieht man einmal von der Limitierung
ERSATZBLATT durch vorhandene Empfänger ab) von etwa 70 Milliarden unterscheidbaren Bildpunkten. Nimmt man der Bequemlichkeit halber nur 256 verschieden Helligkeitswerte würde ohne wei¬ tere Bildkomprimierung nur eine Aufnahme mit einer solchen Kamera etwa 70 Festplatten von jeweils 1 Gigabyte füllen.
Erreicht man bspw. eine Auflösung von 10 Bogensekunden , so entstehen auf dem Halbkugel¬ förmigen Bildfeld 3 immerhin noch etwa 2.8 Milliarden unterscheidbare Bildelemente. Als Vergleich sei die Schmidtkamera als bestes Weitfeldsystem hoher Abbildungsqualität her¬ angezogen. Eine Schmidtkamera, die bspw. die Öffhungszahl 3 besitzt, bildet etwa minimale Zerstreuungsfiguren von 1 Bogensekunde auf einem Gesichtsfeld der Kantenlänge 5 Grad ab. D.h. 25 x 3600 x 3600 theoretisch unterscheidbare Bildelemente. Diese Zahl läßt sich auch durch Wahl einer größeren Öffnungszahl, also einer lichtschwächeren Kamera,nicht wesentlich steigern, da zwar die Abbildungsqualität besser und damit das Zerstreuungsscheibchen kleiner wird, aber andererseits die Größe des übertragbaren Gesichtsfeldes sinkt. D.h. die Schmidt¬ kamera ist in der Lage etwa 325 Millionen unterscheidbare Bildelemente abzubilden. Aus diesem Vergleich geht hervor welchen Fortschritt erfindungsgemäße Systeme, insbeson¬ dere bezüglich des Umfangs der mit einer Aufnahme erreichbaren Bildinformation, darstellen und welche Herausforderung andererseits darin liegt diese Informationsmenge zu verarbeiten und zu speichern. Nimmt man nur einmal ein System mit bspw. 10 Bogensekunden Auflösung, was sich ohne weiteres erreichen läßt, so wären dem Stand der Technik nach etwa 700 CCD's mit jeweils 4 Millionen Pixel notwendig, um die Information, die dieses Objektiv liefert, zu er¬ fassen. Den wohl fortgeschrittensten Stand der Technik repräsentiert derzeit wohl eine Anord¬ nung mit einem Mosaik von 64 CCD's mit jeweils 1 Million Pixel und eine weitere Anordnung mit 30 Tektronix 2048 x 2048 Pixel - CCD's, die gegenwärtig in Entwicklung ist. Siehe hierzu die Newsletter 4 der Internationalen Astronomischen Union , Komission 9 , Arbeitsgruppe Weitfeldabbildung, Seite 9 rechte Spalte.
Es ist jedoch zu erwarten, daß die Entwicklung dieser "Mosaik - CCD - Technik" recht schnell vorangetrieben wird, so daß in historisch kurzer Zeit daran gedacht werden kann, die Informa¬ tionen, die das erfindungsgemäße System liefert, solcherart aufzuzeichnen. Die Ausbildung des erfindungsgemäßen Systems mit matrixfbrmigen Anordnungen von Detek¬ torelementen 6, die ihrerseits zum Beispiel aus CCD's bestehen, ist Inhalt des Anspruchs 2. Die Anordnung von Ebnungslinsen 7, die vor den Detektorelementen 6 angeordnet werden, ist ebenfalls Inhalt des Anspruchs 2. Um ein bezüglich des jeweiligen Detektorelementes 6 geeb¬ netes Bildfeld zu errreichen werden die Radien der jeweiligen Ebnungslinse,wie im Anspruch 2
ERSATZBLATT dargestellt, gewählt. Mit Hilfe einer geeigneten Durchbiegung dieser Linsen, also der Wahl des Verhältnisses der Krümmungsradien Rlel und R2el der Ebnungslinsen 7, lassen sich die durch sie eingeführten Aberrationen minimieren, was insbesondere auf die Verzeichnung zutrifft. Führt man als Spezialfall die Ebnungslinsen 7 so aus, daß ihre dem Detektorelement 6 zuge¬ wandte Fläche eine Planfläche ist, so ergibt sich der dem Linsensystem 1 zugewandte Radius der jeweiligen Ebnungslinse 7 mit:
Rlel = (nel - 1) / nel * Rbildfeld , [1]
wobei Rbildfeld den Krümmungsradius des Bildfeldes 3 darstellt. Dieser ist negativ, also kon¬ kav gegen das einfallende Licht. Damit wird für diesen Spezialfall der dem Linsensystem 1 zu¬ gewandte Radius Rlel ebenfalls negativ und damit konkav gegen das einfallende Licht. Zweckmäßigerweise wird das Material der Ebnungslinsen 7 mit der Brechzahl nel mit einer möglichst kleinen Dispersion - also hoher Abbezahl gewählt.
Erfindungsgemäße Systeme können auch zur Luftraumüberwachung benutzt werden, wobei man das Design des Systems auf die gewünschte oder erwartete mittlere Objektentfernung ab¬ zustimmen hat. Die Position eines solchermaßen abgebildeten Objektes kann nun direkt von den Empfängeφixeln gewonnen werden, ohne wie bei einem normalen Objektiv die Korrektur der Verzeichnung anzubringen, oder dieses dem bewegten Objekt nachführen zu müssen. Eine weitere Anwendung kann das erfindungsgemäße System in der Kinotechnik als " Rund¬ umkamera" finden. Gleichzeitig kann es zur Projektion der solcherart gewonnenen Aufnahmen dienen, die z. Bsp. mit einem erfindungsgemäßen System als Kamera gewonnen wurden. Hierzu sind nun gemäß Anspruch 7 in der Objektebene 0 des Linsensystems 1 lichtaussenden¬ de Einheiten anzuorden, deren Elemente einzeln angesteuert werden können. Beispielsweise können hier LCD, LED oder Bildwiedergaberöhren zum Einsatz kommen.Die Wiedergabe von Filmen, die in der Bewegung gewonnen wurden, werden die Eindrücke in klassischen Pa¬ norama - oder Rundumkinos, wo bei letzteren oft desillusionierende Bildkanten auftreten, da mehrere Kameras beteiligt sind, übertreffen. Ein weiteres Anwendungsgebiet erschließt sich dem erfindungsgemäßen System in der Endoskopie.
Nicht zuletzt bietet der erfindungsgemäße Gegenstand für die Zwecke der Orientierung von Maschinen im Raum neue, verbesserte Ansatzpunkte. Mit zwei dieser " künstlichen Augen " kann eine stereoskopische Orientierung erfolgen, bei der die gewonnenen Bildeindrücke in ei¬ nem Rechner verarbeitet werden.
ERSATZBLATT Aber auch mit nur einem "Auge" werden sich Maschinen günstiger orientieren können als mit konventioneller Optik. Das hat im Wesentlichen zwei Gründe. Als erstes ist das große, völlig verzeichnungsfreie Gesichtsfeld zu nennen. D.h. in der Richtung wo die Maschine ein Objekt erblickt, da befindet es sich auch. Der zweite wesentliche und fast noch wichtigere Grund liegt nicht so offensichtlich. Er hängt von der Verteilung scharf wahrgenommener Bereiche in der umgebenden Objektwelt ab. Während es uns garnicht bewußt wird, daß beispielsweise unser menschliches Auge etwa auch in Schärfentiefebereichen konstanten Abstandes sieht, sind ge¬ wöhnliche Objektive ja so entworfen, daß sie ein ebenes Bildfeld liefern. Für einen tolerierten Durchmesser der Zerstreuungsscheibchen in der Bildebene wird nun ein gewisser Bereich von planen Ebenen in der Objektwelt scharf abgebildet. Die Geometrie der Bildwelt zwingt sozusagen zur Wahrnehmung definierter, hier planer, Schärfentiefebereiche in der Objektwelt. Für eine Maschine wäre somit bei kombinierter Bewegung, Drehung, und Fokussierung die Berechnung der Entfernung eines Objektes beziehungsweise erst recht von vielen Objekten ein äußerst komplizierter und aufwendiger Vorgang. Hingegen ist im erfindungsgemäßen System dieser Rechenaufwand wesentlich geringer. Auch dieses zwingt durch seine Bildgeometrie der Objektwelt eine definierte konzentrische Geometrie der Schärfentiefe auf- oder umgekehrt - wie man will. Da die Fokussierung nach Anspruch 3 auch im erfindungsgemäßen System lös¬ bar ist, steht der Orientierung im Raum nichts mehr im Wege. Bei gegebenen Fokussierungs- zustand sind alle Gegenstande, die gleich scharf erscheinen ( die Kantenschärfe von Objekten läßt sich mathematisch gut auswerten ), auch gleich weit vom " Auge " der Maschine entfernt. D.h. mit dem Fokussierungszustand erhält die Maschine sofort Information über Richtung und Entfernung aller Objekte, die sich in einer gegebenen, konzentrisch zum "Auge" der Maschine befindlichen Schärfentiefezone befinden. So wird sie in die Lage versetzt, mit einer "Kamera¬ fahrt", d.h. vollkommen stillstehend und nur die Bildweite ändernd , alle Objekte im sie umge¬ benden Halbraum sowohl nach Richtung wie nach Entfernung zu lokalisieren .Aus dem Gesag¬ ten geht gleichzeitig die Bedeutung des erfindungsgemäßen Systems zumindestens für die Winkelmeßtechnik oder auch die Weltraumtechnik hervor.Die angeführten Einsatzmöglichkei¬ ten des erfindungsgemäßen Systems sind nur ausgewählte Beispiele - weitere sind denkbar. Linsensysteme nach Druckschrift 1) weisen zum Teil die gleichen positiven Eigenschaften wie das erfindungsgemäße System auf, nur daß bei ersteren die Freiheit der Konstruktion durch die Einschränkung auf konzentrische Kugel bzw. Hohlkugel jeweils eines Mediums stark einge¬ schränkt ist, was in einer Reihe von Fällen von Anfang an einen konstruktiven Nachteil bedeu¬ tet hinsichtlich der Optimierung der Konstruktion für die jeweilige Aufgabe. Hingegen ist das
ERSATZBLATT erfindungsgemäße System bezüglich der Herstellbarkeit meist nicht wesentlich schwieriger wie dasjenige aus Druckschrift 1).
Es ist unmittelbar evident, daß das erfindungsgemäße System für jede festgehaltene konzentri¬ sche Objektschale 0 verzeichnungsfrei auf die konjugierte, ebenfalls konzentrische Bildschale 3 abbildet. Dieses verzeichnungsfreie Bild auf der gekrümmten Bildebene 3 läßt sich genau dann in ein verzeichnungsfreies Bild auf einer planen Ebene umwandeln, wenn man Bildpunkt für Bildpunkt auf der gekrümmten Bildschale so auf die Ebene projiziert, daß der jeweilig gewon¬ nene Bildpunkt auf der Ebene, der erzeugende Bildpunkt auf dem gekrümmten Bildfeld 3 und der Mittelpunkt der Blende 2 sich durch eine exakte Gerade verbinden lassen. Mittels dieser Vorschrift wären also Anfangs - und Endpunkt eines Lichtleitkabels fixiert , das die gekrümmte konzentrische Bildschale 3 mit dem zu erzeugenden planen Bildfeld verbindet, falls man Verzeichnungsfreiheit auch auf dem planen Bildfeld wünscht . Der reale Verlauf des Lichtleitkabels zwischen diesen Punkten ist dabei hinsichtlich der Ver¬ zeichnung egal, solange nur der Durchmesser des Lichtleitkabels in sinnvollen Verhältnis zum erzeugten Zerstreuungsscheibchen auf dem gekrümmten Bildfeld 3 steht, d.h. es sollte hierzu nicht wesentlich größer als das Zerstreuungsscheibchen sein.
Allerdings hat diese Art von "Projektion" bei konstanten Durchmesser des Lichtleitkabels den Nachteil, daß je weiter außen der Bildpunkt auf der planen Ebene liegt , desto weniger dicht seine Nachbarpunkte liegen -also "dunkle" Bereiche auftreten. Ordnet man im anderen Extrem¬ fall die Lichtleitkabel so an, daß die Verbindungsgerade zwischen Anfangs - und Endpunkt des Kabels parallel zu der Normalen der Blendenebene ist, so entsteht eine negative Verzeichnung auf der planen erzeugten Bildebene, die man gegebenenfalls elektronisch entzerren muß. Die Möglichkeit das gekrümmte Bildfeld 3 des Linsensystems 1 mit Hilfe von lichtleitenden Elementen wie Glasfaserkabeln einem vorzugsweise planem Detektor 6 zuzuführen, ist Inhalt des Anspruchs 3.
Die Erfindung soll nachstehend an mehreren Ausführungsbeispielen erläutert werden. In den dazugehörigen Zeichnungen ( siehe Ausführungsbeispiel 1) zeigen :
Fig.1 - die Anordnung der Elemente des erfindungsgemäßen optischen Systems Fig.2 - einige mögliche Ausprägungen des Linsensystems 1
Fig.3 - die Spotdiagramme für Gesichtsfelddurchmesser von 0; 40; 80; 120 und 160 Grad gemäß Ausführungsbeispiel 1
ERSATZBLATT Fig.4 - die Spotdiagramme für Gesichtsfelddurchmesser von 0; 40; 80; 120 und 160 Grad gemäß Ausführungsbeispiel 2 Fig.5,6,7- die Aberration der Wellenfront für 486,13 ; 546,07 ; und 656,27 Nanometer für den
Gesichtsfelddurchmesser 0 Grad bezüglich des Ausführungsbeispiels 2 Fig.8,9 - die Punktverwaschungsfünktion für Wellenlängen nach Fig.5,6,7 und Gesichtsfeld¬ durchmesser von 0 Grad und 160 Grad bezüglich Ausführungsbeispiel 2 Fig.10 - Spotdiagramm für das Ausführungsbeispiel 3 für Gesichtsfeidurchmesser von 0 ; 2 ;
4 und 6 Grad bei der Wellenlänge 486,13 Nanometer Fig.11 - Spotdiagramm für Ausführungsbeispiel 4 mit Gesichtsfelddurchmesser bis 2 Grad Fig.12 - Spotdiagramm für Ausführungsbeispiel 4 mit Gesichtsfelddurchmesser bis 4 Grad Fig.13 - Spotdiagramm für Ausführungsbeispiel 4 mit Gesichtsfelddurchmesser bis 8 Grad Fig.14 - Spotdiagramm für Ausführungsbeispiel 4 mit Gesichtsfelddurchmesser bis 16 Grad Fig.15 - Strahlengang im Linsensystem 1 für ein afokales Vorsatzsystem 9 dessen Petzval- summe die des Linsensystems 1 ausgleicht für 0; 5; 10; 15 und 20 Grad Gesichtsfeld
Fig.1 zeigt eine spezielle Ausführungsform in vergrößertem Maßstab, wobei diese Zeichnung etwa die Geometrie des noch zu erläuternden 2. Ausführungsbeispiels wiedergibt. Licht, das von einem Punkt der Objektebene 0 kommt ( diese ist nicht eingezeichnet) trifft auf das Linsensystem 1, in dem eine Blende 2 angeordnet ist und anschließend auf die Bildebene 3. Der Mittelpunkt der Blende 2 ist vorzugsweise Mittelpunkt aller optisch wirksamen Flächen des Linsensystems 1 sowie des gekrümmten Bildfeldes 3 und des Objektfeldes 0. Ein Detektor 6 ist in der Bildebene 3 angeordnet.Eine oder mehrere Bildfeldebnungslinsen 7 können vor der Bildebene 3 angeordnet zu dessen Ebnung dienen. Diese Bildfeldebnungslinsen 7 stehen dabei parallel zu Tangentialebenen an das gekrümmte Bildfeld 3. Konzentrisch zum Mittelpunkt der Blende 2 angeordnete spiegelnde Flächen 4 falten den Lichtweg (nicht eingezeichnet). In die Ebene der Blende 2 ist die asphärische Korrektoφlatte 5 einbringbar. Lichtleitende Elemente 8 sind in der Ebene des Bildfeldes 3 angeordnet. Ein afokales Vorsatzsystem 9 kann vor das Lin¬ sensystem 1 gebracht werden, wobei dessen Blende 2 mit der Lage der reellen Austrittspupille des afokalen Vorsatzsystems 9 zusammenfällt.Die Bildebene 3 kann als Spiegel 10 ausgeführt werden, wodurch ein Retroreflektor entsteht.
In Fig.2 a bis d sind nun einige mögliche Ausführungsformen des Linsensystems 1 gegeben, die nur beispielhaft für die Vielfalt möglicher Formen stehen.
ERSATZBLATT Ausführungsbeispiel 1
Tab.1 gibt die Konstruktionsdaten des Ausführungsbeispiels 1 mit den den Wellenlängen zuge¬ ordneten, zu erwartenden Brechzahlen der verwendeten Glassorten.
Hierbei gibt die Spalte Abstand jeweils den Abstand der entsprechenden Fläche zu der ihr , in Richtung des Lichteinfalls gesehenen nachfolgenden Fläche .
Tab. 1
Nr. Fläche Radius Abstand nc ne nF Glas/Abbez.
1 250,000 135,000 1,5303564 1,5353416 1,539552 ZK1 / 58,0
2 115,000 235,100 1,4324581 1,4349401 1,4370252 Fluo./ 95,4
3 -120,100 129,900 1,5372326 1,5429278 1,5478087 KFl / 51,1
4 -250,000 249,788 1 1 1 Luft
Damit ergibt sich der Radius des gekrümmten Bildfeldes 3 zu:
Rbildfeld = - 499,788 mm.
Das Beispielsystem besteht, in der Reihenfolge des Lichteinfalls gesehen, aus einer zum Mittel¬ punkt der Blende 2 konzentrisch liegenden Halbkugelschale aus ZK1 mit der Glaskennzahl 533580 woran sich eine Linse aus Fluorit mit der Glaskennzahl 434954 anschließt , die links und rechts von der Ebene der Blende 2 von zwei konzentrisch zum Blendenmittelpunkt liegen¬ den Radien begrenzt wird, die aber auch dem Betrage nach unterschiedlich groß sind, worauf eine ebenfalls konzentrisch zum Blendenmittelpunkt liegende Halbkugelschale aus KFl mit der Glaskennzahl 540511 folgt. Der Einfachheit halber sind nun die beiden äußeren Radien,die das Beispielsystem begrenzen, ihrem Betrage nach gleich gewählt, um eine möglichst einfache Prüfung des Gesamtsystems zu gewährleisten . Diese Gleichheit der Radien ist aber im allge¬ meinen im erfindungsgemäßen System kein muß und eine Abweichung davon gibt in diesem weitere konstruktive Freiheitsgrade zur verfeinerten Korrektion der sphärischen Restfehler be¬ ziehungsweise der Sphärochromasie. Selbst mit betragsmäßig gleichen äußeren Radien ist der Unterschied des erfindungsgemäßen Beispielsystems zu den Systemen, die in der Druckschrift 1) beansprucht werden, offensichtlich. So ist das umschlossene optische Material links und rechts der Öffnung der Blende 2 - also hier Fluorit - von zwei betragsmäßig deutlich verschie-
ERSATZBLATT denen Radien begrenzt und ferner sind die sich anschließenden Kugelhalbschalen von unter¬ schiedlicher Dicke und bestehen zudem aus verschiedenen optischen Material, sodaß auch für das erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel 1 der Unterschied zu den in Druckschrift 1) bean¬ spruchten Systemen aus konzentrisch angeordneter Kugel und Hohlkugel, deutlich wird. Die freie Öffnung des Systems von 100 mm Durchmesser wird bezüglich der e-Linie realisiert durch eine freie Öffnung in der Blende 2 des Ausführungsbeispiels 1 von 69,689 mm. Das erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel 1 ist also seinen Abbildungseigenschaften nach auf den Fall des Objektives bezüglich unendlich entfernter Objektebenen 0 optimiert. Die Optimie¬ rung auf vollkommen andere Entfernungen ebenfalls substantiell zum Mittelpunkt der Blende 2 konzentrisch liegender Objektfelder 0 ist natürlich möglich und gehört zum Geltungsbereich des erfindungsgemäßen Systems, so daß optimierte Designvarianten als verkleinernde oder vergrößernde Projektive z Bsp. für die Mikroskopie oder Kinoprojektion ausbildbar sind. Aus Fig.3 ist ersichtlich, daß sich in der angegebenen optimierten Einstellebene ein Zerstreu¬ ungsscheibchen von 0.0157 mm ergibt, das im Winkelmaß 6,3 Bogensekunden entspricht. Dieses Zerstreuungsscheibchen bleibt nun für 180 Grad Felddurchmesser wie oben dargelegt , die Obergrenze der Ausdehnung der auftretenden Zerstreuungsfiguren. Der lineare Durchmes¬ ser des Beugungsscheibchens, der bekanntermaßen unabhängig von der Brennweite ist, beträgt für ein optisches System ohne Zentralobstruktion mit der Öffhungszahl 5 für die Wellenlänge 546.07 nm etwa 0.0067 mm. Damit ergibt sich für das Ausführungsbeispiel 1 ab Brennweiten kleiner 200 mm die Beugungsbegrenztheit. Dazu wäre wie üblich ein entsprechendes Down- scaling bezüglich aller Radien, Abstände und Durchmesser auszuführen. Für gewünschte 80 mm Brennweite wäre der Skalierungsfaktor 8/50, womit sich z. Bsp. die äußeren Radien des Ausführungsbeispiels zu 40 mm ergeben würden. Der Durchmesser der Zerstreuungsfigur liegt dann bei 0.0026 mm und ist damit merkbar kleiner als das Airy-Scheibchen. Der Minimierung des Durchmessers des Zerstreuungsscheibchens sind selbst dann, wenn die retlose Eliminierung des Farblängsfehlers möglich wäre, Grenzen gesetzt durch die Verteilung der zonalen sphärischen Aberrationen. Im Ausführungsbeispiel 1 erhält man für das Zerstreu¬ ungsscheibchen bezüglich der F-Linie einen Durchmesser von 0.006 mm, wodurch in etwa die Grenze für die Möglichkeiten dieses Designbeispiels bei 500 mm Brennweite und Öffhungs¬ zahl 5 gesetzt ist.
ERSATZ5 I--Λ-1 Ausführungsbeispiel 2
Die Wellenfrontaberration beträgt im Ausführungsbeispiel 1 bei 486 nm 1,044 Wellen, bei 546 nm 0,592 Wellen und bei 656 nm 0,581 Wellen bezüglich der Wellenlänge 546 nm. Ausführungsbeispiel 2 soll aufzeigen welche Möglichkeiten das erfindungsgemäße System be¬ sitzt, da gegenüber Druckschrift 1) zusätzliche Freiheitsgrade der Konstruktion bestehen. Es gelingt die Spotdurchmesser weiter zu verkleinern und was noch wichtiger ist die Aberra¬ tionen der Wellenfront beträchtlich zu reduzieren. Siehe hierzu die Fig.5, 6 und 7. Man erkennt, daß das Rayleigh - Kriterium von 1/4 Wellenlänge für eine beugungsbegrenzte Abbildung im Mittel der Wellenlängen erfüllt ist. Fig.4 zeigt das zugehörige Spotdiagramm. Der kleine Kreis ist die Airy-disk für die Wellenlänge 546 nm.
Es ist klar, daß ein auf 200 mm Brennweite verkleinertes Ausführungsbeispiel bei gleicher Öff¬ nungszahl von 5 sehr deutlich beugungsbegrenzt ist, da die Wellenfrontaberrationen linear von der Systemgröße abhängen. Man kann also die Öffhungszahl weiter verringern und bleibt den¬ noch beugungsbegrenzt. Nachfolgende Tabelle 2 gibt die Konstruktionsdaten des Ausführungsbeispiels 2.
Tab.2
Nr. Fläche Radius Abstand nc ne nF Glas/Abbez.
1 250,000 94,000 1,5303564 1,5353416 1,539552 ZK1 / 58,0
2 156,000 259,35 1,4324581 1,4349401 1,4370252 Fluo./ 95,4
3 -103,35 153,62 1,5372326 1,5429278 1,5478087 KFW 51,1
4 -256,97 242,9303 1 1 1 Luft
Damit ergibt sich der Radius des gekrümmten Bildfeldes 3 zu:
Rbildfeld = - 499,9003 mm.
Der freie Durchmesser der Blende 2 bestimmt sich zu 73,695 mm um ein Parallelbündel von 100 mm Durchmesser in das Linsensystem 1 des Ausführungsbeispiels 2 eintreten zu lassen. Die Brennweite im Bildraum beträgt 500 mm. Damit ergibt sich im Ausführungsbeispiel 2 die Öffhungszahl 5.
ERSATZBLATT Ausführungsbeispiel 3
Das Ausführungsbeispiel 3 verdeutlicht die Anwendung einer asphärischen Korrektoφlatte ge¬ mäß den Anstrichen 10 und 11 des Anspruch 1.
Die Korrektoφlatte 5 ist im Ausführungsbeispiel 3 als Luftlinse ausgebildet. Die asphärischen Oberflächen der Korrektoφlatte 5 werden auf den Flächen der der Blende 2 benachbarten Lin¬ senschalen ausgebildet. Es wird ein einfaches Beispiel aus nur einer Glassorte gegeben, daß für einen Gesichtsfelddurchmesser von 6 Grad und eine Wellenlänge von 486 nm optimiert ist. Die Zerstreuungsscheibchen bleiben unter 0.0078 mm. Zur Korrektion des Farblängsfehlers können weitere konzentrische Schalen aus anderen optischen Materialien ergänzt werden. Als Fläche 2 wird die Fläche bezeichnet, die in Richtung des Lichteinfalls unmittelbar vor der Ebene der Blende 2 liegt. Als Fläche 3 wird diejenige Fläche bezeichnet, die in Richtung des Lichteinfalls unmittelbar auf die Ebene der Blende 2 folgt. Beide Flächen sind als asphärisch deformierte Planflächen ausgebildet, können im allgemeinen aber auch einen Radiusterm bein¬ halten um bei komplexen Linsenanordnungen die sphärochromatischen Aberrationen mit Hilfe eines entgegengesetzt gerichteten Farblängsfehlers zu minimieren.
Im Ausführungsbeispiel 3 sind beide Flächen durch eine Luftlinse getrennt. Es ist darauf zu achten diesen Abstand möglichst gering zu halten, um die konzentrische Symmetrie möglichst wenig zu stören. Die beiden Linsenschalen links und rechts der Blende 2 bestehen aus gleichen optischen Material um Farbvergrößerungsfehler auszuschließen. Im Ausführungsbeispiel wird
BK 7 verwandt. Die Flächen 2 und 3 werden ergeben sich wie folgt :
Fläche 2 : z = l, 123535 * 10~7 * mm~ * r4 - 8, 06055 * 10-11 * m"5 * r6 Fläche 3 : z = 8, 314804 * 10~8 * M"3 * r4 - 8, 223996 * 10"n * m"5 * r6 wobei r die radiale Koordinate in mm in der Ebene ist, die senkrecht auf der optischen Achse steht und den Scheitelpunkt der jeweiligen Fläche beinhaltet, wobei z im mathematischen Sinn orientiert ist. Nachfolgende Tabelle 3 gibt die Daten des Ausführungsbeispiels 3. Tab.3 Öffnungszahl des Ausführungsbeispiels: 3,6449 ; Brennweite 364,49 mm
Nr. Fläche Radius Abstand n(486,lnm) Glas/Abbez
1 250,000 249,500 1,52237718 BK7
2 unendlich 1,000 1 Luft
3 unendlich 249,500 1,52237718 BK7
4 -250,000 114,0872 1 Luft
Der Krümmungsradius des optimal angepaßten Bildfeldes 3 beträgt: Rbildfeld= -372,7853mm. Die Anordnung ist also nicht mehr rein konzentrisch, bedingt durch Aberrationen höherer Ord¬ nung in der Korrektoφlatte 5. Der freie Durchmesser der Blende 2 resultiert zu 66,051 mm.
ERSATZBLAT Ausführungsbeispiel 4
Im Ausführungsbeispiel 4 werden die Daten von Bildfeldebnungslinsen 7 für das Ausführungs- beispiel 2 berechnet bezüglich praktisch vorhandener Detektorelemente 6. Der Einfachheit halber soll der Radius der Bildfeldebnungslinse 7, der dem jeweiligen Detek¬ torelement 6 zugewandt ist, als Planfläche ausgebildet werden. Damit folgt aus Gleichung [2] sofort der Radius der Bildfeldebnungslinse 7, der dem Linsensystems 1 zugewandt ist zu: Rlel = -171,5321 mm für BK7 bei der Wellenlänge 486,13 nm.
Anhand dieses Wertes ist ersichtlich, daß es unmöglich ist das gesamte Bildfeld 3, welches das Linsensystem 1 liefert, mit einer einzigen großen Bildfeldebnungslinse 7 zu ebnen. Es können aber gemäß Anspruch 2 mehrere Ebnungslinsen 7 ausgebildet werden, wobei diese jeweils Tangentialebenen an das gekrümmte Bildfeld 3 des Linsensystems 1 bilden. Die Eb¬ nungslinsen 7 stehen also jeweils senkrecht auf dem Hauptstrahl, der einem gegebenen Objekt¬ punkt zugeordnet ist und durch den Mittelpunkt der Blende 2 geht. Die Mittendicke der Bild¬ feldebnungslinse 7 sollte allgemein klein gehalten werden. Die Planfläche der Ebnungslinse 7 soll im Ausführungsbeispiel 4 direkt auf der Oberfläche des Detektorelementes 6 aufliegen, was aber keine Bedingung im allgemeinen Fall ist. Mi Hilfe einer geeigneten Durchbiegung der Eb¬ nungslinse 7 läßt sich auch die eingeführte Verzeichnung nahezu eliminieren. Nachfolgende Tab.4 gibt die Daten der Bildfeldebnungslinsen 7 und ihren Abstand vom letzten Linsenscheitel des Linsensystems 1 des Ausführungsbeispiels 2. Der Radius und der Abstand der Ebnungslinse 7 wurden Computeroptimiert, sodaß sich diese Werte je nach Gesichtsfeld, das geebnet werden soll, etwas von dem Wert der Gleichung [2] unterscheidet, die nur aus der Theorie 3. Ordnung folgt. Die Mittendicke der Ebnungslinse beträgt jeweils 1 mm. Ihr hinterer Radius R2el ist jeweils als Planfläche ausgeführt. Die Spalte Abstand gibt die Entfernung des vorderen Scheitels der jeweiligen Ebnungslinse 7 zum Scheitel der letzten Fläche der Linse 1 des Ausführungsbeispiels 2.Die Bildfläche fällt mit der Planfläche der Ebnungslinse zusammen.
Tab.4
Objektfeldradius Rlel Abstand Durchmesser der EL l Grad -173,8926 242,2648 17,584
2 Grad -173,2914 242,2646 35,056
4 Grad -175,0348 242,2622 70,372
8 Grad -182,4985 242,2225 143,164
IR8ATZBLATT Die Ebnungslinsen 7 wurden jeweils optimiert für Objektfelder von 2 ; 4 ; 8 und 16 Grad. Die zugeordneten Fig.11 bis Fig.14 lassen die erstaunlich gute Bildqualität auf dem nun planen Bildfeld erkennen. Damit kann das erfindungsgemäße System Eingang in die konventionelle Bildaufhahmetechnik finden. Es ist zu erwarten, daß die CCD-Technik in Zukunft auch in der Fototechnik dominiert. Dadurch bedingt ist es nicht mehr notwendig einen größeren Abstand zwischen letztem Linsenscheitel und Detektor einzuhalten, da bewegte Teile entfallen. Aufgrund dieser Tatsache bietet sich diese Ausprägung des erfindungsgemäßen Systems als Standardobjektiv an. Die Farbkorrektion des Ausführungsbeispiels 4 gleicht der des Ausfüh¬ rungsbeispiels 2. D.h. die Wellenfontaberrationen bleiben im Wellenlängenbereich zwischen 486 und 656 nm unter 1/3 Welle bezüglich der Wellenlänge 546 nm. Beide Ausführungsbei- spiele 2 und 4 sind damit ohne weiteres visuell benutzbar und übertreffen die besten Fernrohr- tripletts mit Fluoritoptik bei gleicher Öffnungszahl.
Ausführungsbeispiel 5
Im Ausführungsbeispiel 5 wird ein erfindungsgemäßes System gemäß Anspruch 5 gegeben,bei dem ein afokales Vorsatzsystem 9 zum Einsatz kommt. Das afokale Vorsatzsystem 9 besteht hierbei aus zwei sammelnden, konfokal angeordneten Parabolspiegeln. Das abbildende Linsen¬ system entspricht dem des Ausführungsbeispiels 1. Das afokale Vorsatzsystem 9 bewirkt eine Einschnürung des Bündeldurchmessers parallel auftreffenden Lichtes um den Faktor 3. Es hat damit die Vergrößerung 3, die das Verhältnis der Tangens der Winkel paralleler Lichtbündel in der Austrittspupille relativ zur Eintrittspupille gibt. Das afokale Vorsatzsystem 9, bestehend aus zwei konfokal angeordneten Parabolspiegeln, ist für sich genommen frei von Koma und Astigmatismus in 3. Ordnung und frei von sphärischer Aberration in jeder Ordnung. Für die gewählte Vergrößerung von 3 ist das gewählte Vorsatzsystem 9 zusätzlich frei von Verzeich¬ nung 3. Ordnung.
Soll die Petzvalsumme im Gesamtsystem, das hier aus einem afokalen Vorsatzsystem 9 aus zwei konfokal angeordneten parabolischen Sammelspiegeln und einem erfindungsgemäßen Linsensystem 1 besteht, eliminiert werden, so muß folgende Bedingung erfüllt sein:
Rlpar = 2 * (v + 1) * Rbildfeld , [2]
wobei Rlpar der axiale Krümmungsradius des ersten Parabolspiegels ist, auf den in Richtung
ERSATZBLATT der Lichtbewegung gesehen parallele Bündel auftreffen und wobei Rbildfeld der Krümmungs¬ radius des Bildfeldes 3 ist, welches das Linsensystem 1 allein entwirft.
Die sogenannte Vergrößerung des afokalen Vorsatzsystems 9 ist mit v bezeichnet und ergibt sich mit:
v = |Rlpar / R2par| , [3]
wobei R2par den axialen Krümmungsradius des zweiten Parabolspiegels bezeichnet. Im gegebenen Ausführungsbeispiel 5 steht der Erfüllung der Gleichung [2] aber im Wege, daß der Abstand der Zwischenbildebene, die der erste Parabolspiegel bildet, von der Ebene der re¬ ellen Austrittspupille, die vom afokalen Vorsatzsystem 9 aus beiden Parabolspiegeln gebildet wird, zu klein ist relativ zum Durchmesser des Linsensystems 1.
Der Abstand der reellen Austrittspupille des afokalen Vorsatzsystems 9 zur Zwischenbildebene die vom ersten Parabolspiegel erzeugt wird, ergibt sich mit:
delta = |Rlpar / 2| * 1 / v2 , [4]
wobei die reelle Austrittspupille um die Entfernung delta dichter am ersten Parabolspiegel liegt, als die Zwischenbildebene, die von diesem erzeugt wird.
Die Gesamtbrennweite aus afokalem Vorsatzsystem 9 und Linsensystem 1 ergibt sich betrags¬ mäßig zu:
|Fges| = v * Flinse , [5]
wobei Fges die Gesamtbrennweite charakterisiert und Flinse die Brennweite im Bildraum des
Linsensystems 1 ist.
Der Abstand beider Parabolspiegel folgt mit:
al = |Rlpar / 2| * (l + 1 / v) . [6]
Bezüglich eines Linsensystems 1, dessen Daten denen des Ausführungsbeispiels 1 entsprechen wird nachstehend ein afokales Vorsatzsystem 9 aus zwei konfokal angeordneten, sammelnden Parabolspiegeln gegeben:
tr- SÄTZBLATT Rlpar = -7200 mm R2ρar = -2400 mm al = 4800 mm
Um ein ebenes Bildfeld zu erreichen hätte der axiale Krümmungsradius Rlpar des ersten Para¬ bolspiegels für eine Vergrößerung von v =3 gemäß Gleichung [3] -4000 mm betragen müssen, wobei der Betrag von Rbildfeld des Ausführungsbeispiels 1 auf 500 mm gerundet wurde. Damit hätte aber der Abstand der Austrittspupille vom Zwischenbild nur delta = 222.2222 mm betragen. Für den gewählten Radius Rlpar = -7200 mm und v = 3 ergibt sich hier delta = 400 mm, was eine Separation der Strahlengänge erlaubt. Hierzu wird nun ein kleiner Planspiegel in die Ebene des Zwischenbildes, das vom ersten Parabolspiegel gebildet wird, eingebracht und z.Bsp. um 45 Grad gegen die optische Achse geneigt, wodurch diese nach erfolgter Reflektion am Planspiegel um 90 Grad gedreht wird.Die Achsen beider Parabolspiegel stehen damit senk¬ recht zueinander. Der Durchmesser des ersten Parabolspiegels ergibt sich wegen v = 3 zu 300 mm. Damit steht das Linsensystem 1 bezüglich parallel zur optischen Achse auf den ersten Pa¬ rabolspiegel auftreffenden Lichtes nicht mehr im Weg, da ihr Mittelpunkt 400 mm von der op¬ tischen Achse, die zwischen den Parabolspiegeln verläuft, entfernt ist und ihr Radius 250 mm beträgt.
Bezogen auf die große Baulänge erkennt man, daß das Ausführungsbeispiel 5 nicht allzu prak¬ tisch ist. Es stellt aber nur eine einfache Demonstration der Möglichkeit dar ein afokales Vor¬ satzsystem 9 vor dem Linsensystem 1 anzuordnen, wobei die Ebene der reellen Austrittspupille des afokalen Vorsatzsystems 9 mit der der Blende 2 des Linsensystems 1 zusammenfällt. Für den optischen Fachmann ist klar, daß andere afokale Vorsatzsysteme 9 ausgebildet werden können, die eine günstigere Gesamtgeometrie ergeben. Ein solches afokales Vorsatzsystem 9 kann insbesondere ein Fernrohr des Kepler-Typs sein, das eine reelle Austrittspupille ergibt. Es ist beim Design des solcherart ausgeprägten afokalen Vorsatzsystems 9 darauf zu achten, daß dieses für sich genommen möglichst weitgehend von Koma und Astigmatismus befreit ist. Eine eventuell verbleibende sphärische Aberration kann innerhalb des Linsensystems 1 elimi¬ niert werden, solange diese nur für den gemeinsamen Einsatz mit dem afokalen Vorsatzsystem 9 vorgesehen ist.
Die Vergößerung des afokalen Vorsatzsystems 9 kann zusätzlich variabel gestaltet werden, sodaß die Gesamtbrennweite des optischen Systems aus afokalen Vorsatzsystem 9 und Linsen¬ system 1 ebenfalls variabel wird. Insbesondere kann ein solches afokales Vorsatzsystem 9 auch
ERSATZBUΓI dahingehend ausgestaltet werden, daß die Fokussierung für unterschiedliche Objektweiten von diesem übernommen wird,sodaß es in seiner reelllen Austrittspupille substantiell Parallelbündel für verschiedene Objektweiten liefert. Damit kann nun der Radius des Bildfeldes 3 des Linsen¬ systems 1 konstant bleiben bezüglich verschieden weit entfernter Objektebenen. Die Blende 2 im Linsensystem 1 kann im Übrigen in einer solchen Anordnung entfallen. Der Krümmungsradius des optimal angepaßten Bildfeldes des Ausführungsbeispiels 5 beträgt:
Rbildfeld = - 1119,07 mm .
Der Abstand dieser Bildebene in der zur Blende 2 senkrechten Achse, die durch den Blenden- mittelpunkt geht, zum letzten Linsenscheitel der Linse 1 des Ausführungsbeispiels 2 beträgt:
s' = 242,921 mm.
Die Gesamtbrennweite des Ausführungsbeispiels 5 beträgt 1500 mm bei einer freien Öffnung von 300 mm. Die Durchmesser der Zerstreuungsscheibchen sind gegennüber der einzeln ste¬ henden Linse im Winkelmaß um den Faktor der Vergrößerung v kleiner, während sie im linea¬ ren Maß von gleicher Ordnung sind.
Fig.15 zeigt ein Linsensystem 1, das dem des Ausführungsbeispiels 2 entspricht. Diesem ist ein afokales Teilsystem vorgelagert, welches in 3. Ordnung aplanatisch und anastigmatisch aus¬ gebildet und verzeichnungsfrei ist. Die Petzvalsumme dieses afokalen Vorsatzsystems 9 ist so bestimmt, daß sie die des Linsensystems 1 kompensiert. Das afokale Vorsatzsystem 9 ist in Fig.15 nicht ersichtlich. Es wird ein ebenes Bildfeld von 20 Grad realisiert. Fig.15 zeigt den Strahlengang für Neigungen des Hauptstrahls gegen die optische Achse von 2,5 ; 5 ; 7,5 und 10 Grad. Deutlich ist zu sehen, daß die Lage und Neigung der Austrittspupille eine Funktion des Neigungswinkels des Hauptstrahls ist. Erzeugt wird hiermit die sogenannte sphärische Aberration der Austrittspupille, die nicht mit der gewöhnlichen sphärischen Aberra¬ tion verwechselt werden darf. Letztendlich beruht die Aberration der Austrittspupille auf der Krümmung der Petzvalschale des afokalen Teilsystems 9, die eingeführt wird um diejenige des Linsensystems 1 zu kompensieren. Diese Aberration der Austrittspupille macht die Ebnung des Bildfeldes 3 im ansonsten symmetrischen Linsensystem 1 erst möglich -ein Vorgang,der unver¬ standen bleibt solange die Lage der paraxialen Austrittspupille generell mit der feldabhängigen Lage identifiziert wird.
ERSATZBLATT Aus dem Gesagten geht hervor, daß es in der Optimierung eines Gesamtsystems aus afokalen Vorsatzsystem 9 und Linsensystem 1 notwendig werden kann den Abstand zwischen der Lage der Austrittspupille des afokalen Vorsatzsystems 9 und der Mitte des Linsensystems 1 einzu¬ führen um der Feldabhängigkeit der Lage der Austrittspupille Rechnung zu tragen. Anspruch 5 ist daher in diesem Sinne zu verstehen und ist nicht beschränkt auf das Zusammen¬ fallen der Lage der paraxialen Austrittspupille des afokalen Vorsatzsystems 9 mit dem Mittel¬ punkt des Linsensystems 1.
Ausführungsbeispiel 6
Im Ausführungsbeispiel 6 wird ein erfindungsgemäßes System gemäß Anspruch 7 für die Ki¬ noprojektion gegeben. Hierzu wird das Ausführungsbeispiel 2 herangezogen, dessen Bildebene 3 nun als Objektebene 0 dient, in der eine Matrix aus einzeln ansteuerbaren, lichtaussendenden Elementen angeordnet ist. Das Ausführungsbeispiel 6 wird für eine angenommene Projektions¬ entfernung von 40 Meter ausgebildet. Damit hätte der Kinosaal ebenfalls einen Radius von 40 Metern bezogen auf den Blendenmittelpunkt des nun als Projektiv eingesetzten erfindungsge¬ mäßen Systems. Dazu wird das Ausführungsbeispiel 2 auf die gewählte Projektionsentfernung optimiert. Hierzu wird nun die Richtung des Lichtweges durch das Linsensystem 1 gegenüber dem des Ausführungsbeispiels 2 umgedreht. Die Bildebene 3 dieses Ausführungsbeispiels wird nun zur Objektebene 0. Allerdings wird deren Krümmungsradius etwas größer gewählt um die Anpassung auf die gewünschte Projektionsentfernung von 40 m zu realisieren. Weitere Abwandlungen des Linsensystems 1 sind für diese Aufgabenstellung nicht nötig, kön¬ nen aber gegebenenfalls zur weiteren Verfeinerung der Korrektur der Abbildung dienen. Der Radius des Objektfeldes ergibt sich zu:
Robjektfeld = - 506.1935 mm ,
bei einem Radius des Bildfeldes von
Rbildfeld = - 40000 mm .
Daraus folgt der Abbildungsmaßstab m mit:
IRSATZBLATT m = Rbildfeld / Robjektfeld [7]
zu: m = 79,021165
Das erfindungsgemäße System stellt nun ganz allgemein ein zumindestens für eine Objektweite quasi fehlerfrei entwickelbares Projektiv eines gegebenen Abbildungsmaßstabes dar . Der Abbildungsmaßstab ergibt sich dabei einfach aus dem Quotient aus Radius der Bildfeld¬ krümmung zum Radius der Objektfeldkrümmung oder vereinfacht ausgedrückt als Quotient aus Bildweite zu Objektweite.
Ist der Abbildungsmaßstab gleich Null so haben wir den Spezialfall des auf Objektweite un¬ unendlich fokussierten Objektivs. Ist der Abbildungsmaßstab unendlich ergibt sich der Fall des Kollimators. Zwischen diesen beiden Extremen liegt ein Reihe von weiteren Fällen, die man als vergrößerndes oder verkleinerndes Projektiv charakterisieren kann, wobei zumeist der Fall des verkleinernden Projektives dem Fall des Fotoobjektives entspricht, das auf eine Objektwelt fo- kussiert wird, deren Abstand vom Mittelpunkt des Linsensystems 1 um einiges größer als seine Brennweite für den Objektabstand unendlich ist.
Dem Fall des vergrößernden Projektivs entspricht der Fall des bspw. Mikroskopobjektivs,oder einfach der Linse in Vergrößerungsapparaten, bei dem die Objektschale 0 zwar außerhalb der einfachen Brennweite für unendliche Objektweite sitzt, aber wiederum näher am Mittelpunkt ist als die Bildschale.
Natürlich kann man auch virtuelle Bildschalen erzeugen - nur muß man dann den Abstand der Objektschale kleiner wählen als die Brennweite des Systems bezüglich der Objektweite unend¬ lich. Es dürfte klar sein, daß man mit dem erfindungsgemäßen System quasi fehlerfreie Projek¬ tion betreiben kann, d.h. Vergrößerung oder Verkleinerung von konzentrisch zum Blenden¬ mittelpunkt liegenden Objektschalen 0 in konjugierte , ebenfalls konzentrisch zum Blendenmit¬ telpunkt liegende Bildschalen 3. Es lassen sich auf diesem Wege gute Mikroskopobjektive an¬ geben, die winkelmäßig weit ausgedehnte Objektfelder 0 stark linear vergrößert auf konjugierte Bildfelder 3 abbilden, wobei die "außeraxiale" Qualität der axialen Bildqualität nicht nachsteht. Ebenso lassen sich Projektionssysteme entwerfen , die bspw. in der Halbleiterherstellung dazu dienen können stark verkleinert mit hoher Präzision die gewünschten Strukturen auf lichtem¬ pfindliches Material zu belichten.
ERSATZBLATT Ausführungsbeispiel 7
Im Ausführungsbeispiel 7 wird ein erfindungsgemäßes System gemäß Anspruch 8 ausgebildet. Dazu wird die Bildebene 3 als Spiegel ausgeführt. Als Linsensystem 1 dient dasjenige des Aus¬ führungsbeispiels 2. Es wird ein sphärischer Hohlspiegel 10 in die Ebene des Bildfeldes 3 des Linsensystems 1 eingebracht, wobei der Krümmungsradius Rlsph des Hohlspiegels 10 gleich dem des Bildfeldes 3 des Linsensystems 1 im Ausführungsbeispiel 2 ist. Somit folgt:
Rlsph = - 499.9003 mm
Zum Abschluß sollen noch einige Ausführungen zum erfindungsgemäßen System folgen.
Es versteht sich , daß sowohl leichte asphärische Abweichungen der verwendeten Oberflächen von der sphärischen Gestalt nach Anstrich 13 des Anspruchs 1, sowie ebensolche Abweichun¬ gen von der strengen Konzentrizität, die für die eine oder andere Anwendung des erfindungs¬ gemäßen Systems vorteilhaft sind, ebenso zu seinem Geltungsbereich gehören sollen, wie die Möglichkeit die Dimension des Systems für Anwendungen, die nur kleinere Objektfelder 0 übertragen sollen, zu verringern indem das System abgeflacht in etwa parallelen Ebenen bezie¬ hungsweise konzentrischen Zylindern zur Normale der Ebene der Blende 3 dargestellt wird. Weiterhin soll die Möglichkeit das erfindungsgemäße System zu fokussieren, indem die an der Blendenebene aneinandergrenzenden Halbkugeln beziehungsweise Halbkugelschalen vonein¬ ander entfernt werden, wie im Anspruch 4 verankert, als zum Geltungsbereich der Erfindung zugehörig betrachtet werden.
Ebenso kann es für gewisse Zwecke notwendig sein, die Blende 2 an einer anderen Stelle im Strahlengang zu postieren beziehungsweise kann in einigen Fällen auf die Blende 2 völlig ver¬ zichtet werden, wobei diese Ausprägungen des erfindungsgemäßen Systems allein oder in Kombination mit den vorhergenannten Abwandlungen ebenfalls als zum Schutzbereich des erfindungsgemäßen Gegenstandes zugehörig zu betrachten sein sollen. Es versteht sich auch, daß andere Detektoren 6, als die angeführten CCD's, zum Einsatz kom¬ men können, wobei elektronische und andere Methoden der Weiterverarbeitung von Bildern, die mit dem erfindungsgemäßen System gewonnen werden, ebenso in die Reichweite des erfin¬ dungsgemäßen Gegenstandes gehören, wie: dessen Ausprägung als visuelles System ; seine Nutzung als Energiekollektor insbesondere als effizienter Kollektor von Solarenergie ; seine
ERSATZBLATT Nutzung als Projektionssystem in der Kinotechnik, Mikroskopie,in optischen und optoelektro¬ nischen Vergrößerungs - und Verkleinerungsapparaten ; seine Nutzung in der Winkelmeßtech¬ nik ; seine Nutzung als künstliches Auge für Maschinen ; seine Nutzung als Kollimator , in der Beleuchtungstechnik und als Scheinwerferoptik ; seine Nutzung in der Weltraum -und Militär¬ technik ; seine Anwendung als Foto - oder Videoobjektiv ; seine Nutzung als Lupe, Okular oder als Vergrößerungsglas ; seine Nutzung als Ein - und Auskoppelvorrichtung zur Übertra¬ gung von Lichtsignalen in der Lichtleiternachrichtenübertragung ; seine Nutzung in der Re¬ chentechnik durch Einbringen von schaltbaren Elementen in der Ebene der Blende 2 oder in einer anderen Ebene ; seine Nutzung als optisches Fenster in Beobachtungsanlagen der indus¬ triellen und handwerklichen Produktion und in der Weltraumtechnik ; sein auf optischen bezie¬ hungsweise lichttechnischen Gründen beruhender Einsatz in der Architektur und Gestaltung von Gebäuden ; seine Nutzung in der Medizintechnik insbesondere in der Endoskopie ; seine Nutzung in Anlagen der Überwachungs - und Sicherheitstechnik ; sein Einsatz in der astrono¬ mischen Forschung und Himmelsüberwachung , insbesondere als Meteorfrühwarnsystem und zur Bahnverfolgung und Messung von Satellitenbahnen ; sein Einsatz in Systemen der Ver- kehrsregulierung und Luftraumüberwachung ; Unterwasserkameras und anderen abbildenden Systemen einschließlich solcher , die sich in einem anderen Medium wie Luft , Wasser oder Vakuum befinden ; sein Einsatz in Belichtungs - und Kopieranlagen einschließlich Reproduk¬ tionsanlagen ; sein Einsatz zur Bündelung und Fokussierung von Licht in der Materialbearbei¬ tung - und Analyse ; sein Einsatz in wissenschaftlichen und technischen Messeinrichtungen und Apparaten wie Spektrographen und Monochromatoren, Strahlbündelungs - und Aufweitungs¬ systemen ; sein Einsatz in weiteren Gebieten , die in dieser Aufzählung nicht enthalten sind, wobei diese Aufzählung zu verstehen ist als nur beispielhaften Charakter tragend und hierbei keinerlei Beschränkung der möglichen Anwendungen des erfindungsgemäßen Systems, die in den Anspruch des Schutzbereiches desselben fallen, darstellen soll.
ERSATZBLATT

Claims

Ansprüche
1. Optisches System mit substantiell sphärischen Flächen dadurch gekennzeichnet, daß alle am Aufbau des Linsensystems (1) beteiligten Radien substantiell konzentrisch zu ei¬ nem gemeinsamen Punkt liegen, der wiederum Mittelpunkt der Blende (2) und des gekrümm¬ ten Bildfeldes (3) des Linsensystems (1) sowie des zugeordneten,gekrümmten Objektfeldes (0) ist, wobei diese Radien maximal einen Winkel von 180 Grad einschließen und somit maximal Kugelhalbschalen begrenzen, die an der Ebene der Blende (2) enden, daß alle optischen Materialien, die sich zwischen konzentrischen Schalen befinden, die jeweils von konzentrischen Radien gebildet werden, die sich paarweise links oder rechts der Blende (2) befinden, voneinander verschieden sein können, wobei vorzugsweise optisches Material, das zwischen den konzentrischen Radien liegt, die der freien Öffnung der Blende (2) links und rechts unmittelbar benachbart sind, links und rechts der Blende (2) übereinstimmt, daß der freie Durchmesser der Blende (2) vorzugsweise kleiner oder höchstens gleich dem zweifachen des betragsmäßig kleinsten konzentrischen Radius des Linsensystems (1) ist, daß die Brechzahl des optischen Materials, das zwischen den konzentrischen Radien liegt, die der Blende (2) unmittelbar benachbart sind, substantiell größer ist als 1, sodaß dieses optische Material weder Luft noch Vakuum ist, daß Linsensysteme (1), die aus einer Kugel einer Brechzahl und sich einer an diese anschmie¬ genden konzentrischen Hohlkugel einer anderen Brechzahl bestehen, einen Spezialfall darstel¬ len, der nicht beansprucht wird, daß die optischen Materialien die in konzentrischen Schalen liegen, die durch weiter vom Mit¬ telpunkt der Blende (2) entfernt liegende konzentrische Schalen aus festen optischen Material begrenzt sind, auch als Flüssigkeiten oder Gase ausbildbar sind, daß die Brechzahl der verwendeten optischen Materialien zwischen den begrenzenden Radien sowohl konstant als auch als eine Funktion des Ortes ausgebildet werden kann, wobei die Ab¬ hängigkeit der Brechzahl vom Ort vorzugsweise symmetrisch zum Mittelpunkt der Blende (2) des Linsensystems (1) innerhalb der entsprechenden Schale ausgebildet wird, wobei innerhalb einer konzentrisch zum Mittelpunkt der Blende (2) liegenden Schale die Brechzahl mit abneh¬ mender Entfernung zu diesem Mittelpunkt der Blende (2) sowohl monoton zunehmend wie monoton abnehmend als auch nicht monoton ausbildbar ist, daß die Blende (2) des Linsensystems (1) insbesondere bei Anwendungen des optischen Sys¬ tems als Energiekonzentrator und hier vornehmlich als Solarkollektor entfallen kann,
E-BSATZBLATT daß spiegelnde Flächen (4) dem Linsensystem (1) nachgeordnet werden können, beziehungs¬ weise integraler Bestandteil des Linsensystems (1) sind, wobei diese Flächen vorzugsweise konzentrisch zum Mittelpunkt der Blende (2) des Linsensystems (1) angeordnet sind, daß in die Ebene der Blende (2) des Linsensystems (1) eine Korrektoφlatte (5) einbringbar ist, die der Korrektion der sphärischen Aberration dient, wobei die Korrektoφlatte (5) mit min¬ destens einer asphärischen Oberfläche ausgebildet wird, deren Gestalt sich aus folgender Be¬ ziehung ergibt:
I N z = c * r2/(l + 1 - (1 + k) * c2 * r2 ) + Σ cxi * r*
wobei vorzugsweise j = 2*i gilt, wobei z die sogenannte Pfeilhöhe bezeichnet, die die Erhebung der Oberfläche der Korrektor¬ platte (5) über einer Ebene darstellt, die senkrecht auf der optischen Achse steht und durch den Schnittpunkt von jeweiliger Oberfläche der Korrektoφlatte (5) und optischer Achse geht, wobei c die Krümmung der Oberfläche der Korrektoφlatte (5) im Schnittpunkt dieser mit der optischen Achse und somit das Inverse des axialen Krümmungsradius darstellt, wobei r den axialen Abstand des Punktes auf der Oberfläche der Korrektoφlatte (5) von der optischen Achse in einer Ebene darstellt, die senkrecht auf der optischen Achse steht und den Punkt auf der Oberfläche der Korrektoφlatte (5) beinhaltet, wobei k die Schwarzschildkonstante dar¬ stellt, die als das Negative des Quadrates der Exzentrizität des zugehörigen Kegelschnittes de¬ finiert ist, wobei die Größen α, Koeffizienten darstellen,die beschreiben mit welchem Gewicht asphärische Terme verschiedener Ordnung in die Gestaltung der Oberfläche der Korrektoφlat¬ te (5) eingehen, wobei als optische Achse diejenige Achse bezeichnet ist, die senkrecht auf der Ebene der Blende (2) steht und durch deren Mittelpunkt geht, daß die der Korrektoφlatte (5) benachbarten Flächen substantiell als Planflächen ausgebildet werden, oder aber sich der Form der Korrektoφlatte (5) anschmiegen, wobei in diesem Fall die Korrektoφlatte (5) als Luftlinse ausbildbar ist, daß in die Ebene der Blende (2) Farbfilter, Polarisatoren, sowie mechanisch, elektrisch oder elektrooptisch beeinflußbare Diaphragmen oder andere, den Lichtfluß beeinflussende Elemente wie Shutter, Beugungsgitter, Rasterblenden, Interferenzfilter einbringbar sind, daß eine oder mehrere Flächen des Linsensystems (1) und die Ebene des Bildfeldes (3) asphä¬ risch ausbildbar sind, daß das Linsensystem (1) sammelnd, afokal oder zerstreuend ausbildbar ist.
ERS-er^LÄrr
2. Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gekrümmte Detektor (6), der in die gekrümmte Ebene des Bildfeldes (3) eingebracht wird, aus einer matrixförmigen Anordnung von vorzugsweise CCD-Empfängern besteht, wobei die einzelnen Elemente der Matrix der Detektoren (6) auch eben ausbildbar sind, wobei dann diesen Elementen Bildfeldebnungslinsen (7) vorgelagert werden können, deren Radien so be¬ messen sind, daß diese die Petzvalsumme des Linsensystems (1) jeweils kompensieren, wobei sich die Radien der Bildfeldebnungslinsen (7) nach folgender Beziehung ergeben:
1/Rlel - 1/R2el = nel/(nel-l)*l /Rbildfeld ,
wobei Rlel der dem Linsensystem (1) zugewandte Radius der jeweiligen Bildfeldebnungslinse (7), R2el der dem Element des Detektors (6) zugewandte Radius der jeweiligen Ebnungslinse (7) und nel die Brechzahl der Ebnungslinse (7) ist und wobei Rbildfeld den Radius des ge¬ krümmten Bildfeldes (3), das vom Linsensystem (1) erzeugt wird, bezeichnet und wobei die Elemente der Matrix des Detektors (6) in Ebenen angeordnet sind, die parallel zu tangentialen Ebenen an das gekrümmte Bildfeld (2) des Linsensystems (1) ausgerichtet sind, wobei als De¬ tektor (6) beispielsweise auch Bildaufnahmeröhren, die nach dem inneren oder äußeren licht¬ elektrischen Effekt arbeiten, oder andere lichtempfindliche Systeme verwendbar sind, wobei die matrixförmige Anordnung der Detektoren (6) auch in Form einer Bienenwaben oder Fußball¬ lederstruktur erfolgen kann um ein gekrümmtes Bildfeld (3) gleichmäßig zu überdecken.
3. Optisches System nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß in die gekrümmte Bildebene (3) eine Struktur aus Glasfasern (8) oder anderen lichtleiten¬ den Elementen (8) eingebracht wird, die das gekrümmte Bildfeld (3) der weiteren Verarbeitung zuführt, wobei diese Struktur vorzugsweise aus hohlzylindrischen Bereichen besteht, die kon¬ zentrisch zu der Achse angeordnet sind, die durch die Mitte der Blende (2) geht und senkrecht auf dieser steht, wobei diese hohlzylindrischen Bereiche insgesamt in dieser Achse und relativ zueinander verschiebbar sind, wodurch für unterschiedliche Objektweiten die Anpassung des dann unterschiedlich gekrümmten Bildfeldes (3) erreicht wird, sodaß die Fokussierbarkeit des Linsensystems (1) gegeben ist, ohne die Forderung der Konzentrizität der Bildebene (3) zum Mittelpunkt der Blende (2) zu verletzen.
4. Optisches System nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
ERSATZBi- . T daß das Linsensystem (1) in der Ebene der Blende (2) geteilt ist, wobei die entstehenden Hälf¬ ten gegeneinander und gegen die Ebene des Bildfeldes (3) verschiebbar sind, um eine Fokus¬ sierung für unterschiedliche Objektweiten zu realisieren, wobei auch einzelne Schalen gegen¬ einander und gegen die Ebene des Bildfeldes (3) verschiebbar sind, wobei das Linsensystem (1) auch so ausbildbar ist,daß alle Elemente des Linsensystems (1) nur links oder rechts der Blen¬ de (2) angeordnet sind, wobei nun Farbvergrößerungsfehler auftritt.
5. Optisches System nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß vor das Linsensystem (1) ein vorzugsweise afokales Vorsatzsystem (9) gesetzt wird, wo- wobei substantiell die Lage der reellen Austrittspupille des vorzugsweise afokalen Vorsatz¬ systems (9) zusammenfällt mit der Lage der Blende (2) des Linsensystems (1), wobei die Ver¬ größerung des vorzugsweise afokalen Systems (9) variabel ausbildbar ist, womit die Gesamt¬ brennweite des optischen Systems aus dem vorzugsweise afokalen Vorsatzsystem (9) und dem nachgeordneten Linsensystem (1) ebenfalls variabel wird, wobei ein ebenes Bildfeld (3) erhalten wird, indem die Petzvalsumme des vorzugsweise afokalen Vorsatzystems (9) die des Linsensystems (1) kompensiert.
6. Optisches System nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren begrenzenden Linsenflächen des Linsensystems (1) substantiell mit der Bild¬ ebene (3) oder der Objektebene (0) beziehungsweise mit der Bildebene (3) und der Objektebe¬ ne (0) zusammenfallen.
7. Optisches System nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in der Objektebene (0) beziehungsweise in der Bildebene (3) lichtaussendende Elemente wie beispielsweise Flüssigkristall-Display (LCD), Lichtemittierende Dioden (LED) oder Bild¬ wiedergaberöhren mit lumineszierenden Luminoforen, oder andere lichtaussendende Elemente angeordnet sind, die die Projektion von Bildern, Filmen oder anderen Informationen gestatten.
8. Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildebene (3) als Spiegel (10) ausgeführt wird, wodurch das entstehende System aus Linsensystem (1) und Spiegel (10) als Retroreflektor wirkt, wobei ein in der Ebene der Blende (2) oder in einer anderen Ebene gegebenenfalls angeordneter Shutter dazu dient die Antwort¬ funktion des optischen Systems zu modulieren.
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