EP4388350A1 - Wellenfrontmanipulator und optisches gerät - Google Patents

Wellenfrontmanipulator und optisches gerät

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Publication number
EP4388350A1
EP4388350A1 EP22764706.2A EP22764706A EP4388350A1 EP 4388350 A1 EP4388350 A1 EP 4388350A1 EP 22764706 A EP22764706 A EP 22764706A EP 4388350 A1 EP4388350 A1 EP 4388350A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
optical
wavefront
manipulator
optical component
wavefront manipulator
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.)
Pending
Application number
EP22764706.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Marco Pretorius
Markus Seesselberg
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Carl Zeiss AG
Original Assignee
Carl Zeiss AG
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 Carl Zeiss AG filed Critical Carl Zeiss AG
Publication of EP4388350A1 publication Critical patent/EP4388350A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G02B3/0081—Simple or compound lenses having one or more elements with analytic function to create variable power
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/0875—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more refracting elements
    • 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
    • G02B27/0068—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 having means for controlling the degree of correction, e.g. using phase modulators, movable elements
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G02B3/0087—Simple or compound lenses with index gradient
    • G—PHYSICS
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G02B3/02—Simple or compound lenses with non-spherical faces
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    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B7/00—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements
    • G02B7/02—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements for lenses
    • G02B7/04—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements for lenses with mechanism for focusing or varying magnification
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G02B2003/0093—Simple or compound lenses characterised by the shape

Definitions

  • the present invention relates to a wavefront manipulator having at least a first optical component and a second optical component which are arranged one behind the other along a reference axis, the first optical component and the second optical component being arranged to be movable relative to one another perpendicularly to the reference axis.
  • the invention relates to a use of the wavefront manipulator and an optical device with a wavefront manipulator.
  • Alvarez describes optical elements with at least a first optical component and a second optical component, which are arranged one behind the other along an optical axis, each have a refractive free-form surface and are mutually displaceable perpendicular to the optical axis .
  • the refractive power effect of an optical element made up of the two components can be varied by lateral displacement of the optical components with the free-form surfaces.
  • Such optical elements are therefore also called Alvarez elements or vario lenses.
  • a variable refractive power corresponds to a variable focal position, which can be described by a change in the parabolic component of the wavefront of a beam bundle that is incident parallel to the axis. In this sense, a varifocal lens can be viewed as a special wavefront manipulator.
  • zoom optics based on a plurality of wavefront manipulators are disclosed, with the wavefront manipulators consisting of Alvarez elements.
  • zoom lenses can be implemented for a miniature camera, which can be used, for example, in a compact mobile handheld device such as a smartphone or a laptop.
  • the document WO 2013/079312 A1 describes a polychromatic wavefront manipulator which has the same basic structure as the wavefront manipulator from reference [1], the manipulator being able to be used in a wavelength range min ⁇ max and a diffractive one optical element (DOE) is used for color correction.
  • the grooves of the DOE are now selected in such a way that the above-described dependency of the wave front deformation W ⁇ , ⁇ (x,y) on the wavelength ⁇ is compensated. In this way, for example, a longitudinal chromatic aberration can be corrected.
  • the document WO 2013/120800 A1 describes a polychromatic wavefront manipulator which has the same basic structure as the wavefront manipulator from reference [1], but a liquid is used between the plates instead of air.
  • this liquid is adapted to the refractive index profile of the plate material n( ⁇ ) in such a way that the dependency of the wave front deformation W ⁇ (x, y) on the refractive index n( ⁇ ) and thus on the wavelength ⁇ is compensated by the liquid. In this way, for example, a longitudinal chromatic aberration can be corrected.
  • the wavefront manipulator is designed not to bring about any wavefront deformation at a fixed, predetermined fundamental wavelength, but rather only in the secondary wavelengths.
  • the course of the refractive index of the immersion liquid is adapted in such a way that it corresponds as exactly as possible to that of the plate material for the fundamental wavelength and only has a defined deviation for the secondary wavelengths.
  • an adjustable phase mask which consists of two phase plates, which can consist of several materials, so that a path difference and a phase shift are achieved independently of the wavelength is the same up to integer multiples of the wavelength or integer multiples of 2TT.
  • the wavefront manipulators used consist of plates made of only one material, which has a wavelength-dependent refractive index ( ⁇ ). It is thus clear that the wavefront deformations W ⁇ , ⁇ (x,y) are strongly dependent on the wavelength, which is noticeable in the zoom optics as longitudinal and transverse chromatic aberrations. The imaging quality of these zoom optics is therefore severely limited.
  • the use of only one material on one plate of the wavefront manipulator thus severely limits the applicability of the zoom concept for cameras that require good imaging performance over an entire spectrum.
  • the monochromatic wavefront manipulator For polychromatic optical systems in the wavelength range min ⁇ ⁇ max , the monochromatic wavefront manipulator according to reference [1] generates a wavefront deformation W ⁇ , ⁇ (x,y) that is dependent on the wavelength ⁇ and is predetermined by the refractive index curve n( ⁇ ). In most spectrally broadband applications, this dependency leads to undesired color errors, so that the wavefront manipulator cannot be used there.
  • the disadvantage of the polychromatic wavefront manipulator according to WO 2013/079312 A1 is that the DOEs used have scattered light from undesired diffraction orders. Although this scattered light can be reduced by using so-called "efficiency achromatized DOEs" (EA-DOEs), it cannot be made to disappear. In particular, EA-DOEs exhibit tolerance-induced stray light. In applications that are sensitive to scattered light, such as in all types of cameras, microscopes, binoculars, spotting scopes, etc., the use of polychromatic wavefront manipulators according to WO 2013/079312 A1 is therefore excluded.
  • the disadvantage of the polychromatic wavefront manipulator according to WO 2013/120800 A1 is that there is a liquid between the plates.
  • the course of the refractive index of the liquid and its transparency should not change over the life of the product, so that corresponding requirements must be made of the liquid.
  • the manipulator should only be operated in a temperature range in which the liquid remains in the liquid state. In order to prevent the liquid from leaking out during the service life of the product, a high level of design effort must be made, which leads to costs and increases Space requirements leads. For these reasons, the use of polychromatic wavefront manipulators is restricted according to WO 2013/120800 A1.
  • phase plates that are twisted against each other. According to paragraph [0064], such elements are particularly suitable for phase contrast microscopy.
  • the exemplary embodiments are therefore limited to phase rings or to the generation of wave front deformations W ⁇ , ⁇ (x,y), which are not dependent on the spatial coordinates x or y.
  • a first object of the present invention to provide an advantageous wavefront manipulator having at least a first optical component and a second optical component which are arranged one behind the other along a reference axis and can be moved relative to one another perpendicularly to the reference axis. It is a second object of the present invention to provide an advantageous optical device.
  • a third object of the present invention is to specify an advantageous use for the wavefront manipulator according to the invention.
  • the first object is achieved by a wavefront manipulator according to claim 1, the second object by an optical device according to claim 12 and the third object by using a wavefront manipulator according to claim 13.
  • the dependent claims contain advantageous refinements of the invention.
  • a wavefront manipulator comprises at least a first optical component and a second optical component.
  • the first optical component and the second optical component are arranged one behind the other along a reference axis.
  • the first optical component and the second optical component are in one Direction of movement perpendicular to the reference axis arranged to be movable relative to one another.
  • either the first optical component or the second optical component can be arranged so as to be movable in relation to the other optical component in each case.
  • Both optical components are preferably arranged to be movable in at least one direction of movement in a plane perpendicular to the reference axis.
  • the reference axis is understood to mean an axis, for example a z-axis of a Cartesian or cylindrical coordinate system, with respect to which the deformation of the wavefront profiles caused by the wavefront manipulator is defined.
  • the reference axis is the axis with respect to which the wavefront profile is deformed by the wavefront manipulator.
  • the reference axis can run parallel to a normal of a plane in which the first optical component and the second optical component can be moved relative to one another.
  • the reference axis can run parallel to an optical axis or coincide with it, which is defined by a rotationally symmetrical optics comprising the wavefront manipulator.
  • the reference axis may also be oriented relative to a reference axis of an optics assembly in which the wavefront manipulator is used.
  • a reference axis of the optics structure can be selected in such a way that it corresponds to an optical axis.
  • the first optical component and the second optical component each comprise a first and at least one further optical element, ie at least two optical elements.
  • the optical elements have different refractive index profiles m( ⁇ ) and m( ⁇ ) (m( ⁇ )+m( ⁇ )).
  • the index i identifies the at least one further optical element.
  • the magnitude of the difference between the refractive index profiles m( ⁇ ) and m( ⁇ ) is preferably greater than a specified limit value for at least one specified wavelength, for example greater than or equal to at least 0.01.
  • the optical elements can be made of materials numbered i and j can be constructed such that for a wavelength with ⁇ max ln i ( ⁇ 1 ) n j ( ⁇ 1 ) >0.01 applies
  • the optical elements are arranged one behind the other along the reference axis, preferably arranged directly connected to one another, ie without a spacing or gap between them.
  • the first and the at least one further optical element advantageously have a contact surface which is preferably designed as a free-form surface.
  • the optical elements have a location-dependent extension or thickness or length (hereinafter referred to as length) in the z-direction parallel to the reference axis Az(x,y). In other words, the length is not constant.
  • the local coordinates x and y are preferably coordinates of a Cartesian coordinate system.
  • a free-form surface is to be understood in the broader sense as a complex surface that can be represented in particular by means of functions defined in certain areas, in particular functions defined in different areas that can be continuously differentiated twice.
  • suitable area-wise defined functions are (particularly piecewise) polynomial functions (particularly polynomial splines, such as bicubic splines, higher-degree splines of fourth degree or higher, or polynomial non-uniform rational B-splines (NURBS)).
  • NURBS polynomial non-uniform rational B-splines
  • a distinction must be made between simple surfaces such as e.g. B. spherical surfaces, aspherical surfaces, cylindrical surfaces, toric surfaces, which are described at least along a main meridian as a circle.
  • a free-form surface does not need to have axial symmetry and point symmetry and can have different values for the mean surface refractive index in different areas of the surface.
  • the first optical component and the second optical component can each have at least one refractive free-form surface and/or at least one planar surface.
  • the optical components can do so be arranged such that free-form surfaces of adjacent optical components face each other, or such that the free-form surfaces face away from each other. Thanks to the free-form surfaces, the strength of the refractive power of the optical element can be changed by lateral displacement (ie displacement perpendicular to the reference axis) of the two optical components relative to one another. Influencing the refractive power by lateral displacement is described in the document US Pat. No. 3,305,294 A1, to which reference is made in this context.
  • the design of the individual optical components of the wavefront manipulator each with at least two optical elements made of different media, each of which has a location-dependent length in the z direction, has the advantage that a polychromatic, stray-light-free wavefront manipulator made of solid materials is provided, with which an incident light beam has a Wavefront deformation Wx(x,y) can be imposed, with Wx(x,y) being adjustable with a displacement path a and/or an angle of rotation a about an axis of rotation running parallel to the optical axis. Furthermore, it is possible to design the wavefront deformation for two different wavelengths almost identically by means of the multiple optical elements of the individual optical components, so that the wavefront manipulator can be designed as an achromat.
  • the wavelength dependency of the wavefront deformation can be designed such that the different wavefront deformations for different wavelengths can be used beneficially in the overall system, in particular for correcting aberrations.
  • the wave front deformation is not limited to a defocus, but can also consist, for example, of astigmatism, coma, spherical aberration or linear combinations thereof.
  • the length of the at least one further optical element Azi(x,y) is preferably not constant and is linearly dependent on the length of the first optical element Az-i(x,y), in particular according to the formula:
  • k>2 designates the number of optical elements.
  • the i-th optical element with 1 ⁇ i ⁇ k then has, for example, the length ⁇ z 1 (x,y) and the refractive index n i ( ⁇ ).
  • n i refractive index
  • y 1 ,2 , c 2 , y 1,i and c i are any constants.
  • the length ⁇ z 1 (x,y) can be freely selected depending on the application.
  • a wavefront manipulator according to the invention can therefore also consist of individual optical components each having three or more different optical elements (k ⁇ 3). It should be pointed out here that the numbering of the media or the optical elements comprising them is arbitrary; it is only necessary to ensure that the medium 1 has a length ⁇ z 1 (x,y) that depends on the location (x,y).
  • each of the at least two optical components that in at least 80% of all volumes V a of the respective optical component with the points (x,y,z), which in a displacement path a, for through which the wavefront manipulator is designed, is penetrated by light rays, for all materials i with arbitrary constants y 1 ,i and c i the following condition is fulfilled:
  • the at least two optical components can be designed to be identical in terms of their optical characteristics, in particular the optical characteristics of the optical elements used. This has the advantage of being inexpensive to manufacture and maintain, including any repairs.
  • the Alvarez principle can be usefully applied.
  • an Alvarez element with two optical components can be implemented using a correspondingly designed wavefront manipulator, in which the materials used for the optical elements of each component differ and the lengths ⁇ zi (x, y) of the optical elements of each component also differ . Care must then be taken to ensure that the wavefront deformations of the two components are selected to match one another.
  • at least one of the optical components can have at least one planar outer surface, which extends perpendicular to the reference axis.
  • At least one optical component of the wavefront manipulator can be designed as a plate, in particular a plane-parallel plate.
  • Particularly cost-effective wavefront manipulators are obtained if all the existing optical components of the wavefront manipulator are designed as plates, in particular plane-parallel plates. This has the further advantage that the distance between the optical components can be minimized and a robust design is realized.
  • the optical components can be arranged to be movable relative to each other by translation in at least one direction perpendicular to the reference axis, ie in the x and/or y direction, in other words can be arranged to be displaceable.
  • the optical components can be arranged so as to be movable relative to one another by rotation about an axis running parallel to the reference axis (z-direction), that is to say can be arranged to be rotatable.
  • the variants mentioned allow the use of a plurality of degrees of freedom to correct aberrations or to implement focusing, for example in the form of a zoom function, in a very small space.
  • At least one, preferably two, of the optical components includes at least two optical elements that have a relative partial dispersion that differs by less than a specified limit value.
  • the specified limit value can be a value of less than 0.01, in particular less than 0.005.
  • the wavefront manipulator can be designed as an apochromatic wavefront manipulator, that is to say correct color errors as far as possible.
  • An aprochromat (or "trichromat") creates a wavefront deformation in which the parabolic part is the same for three different wavelengths.
  • at least one, preferably two, of the optical components can comprise at least three optical elements. At least one of the optical elements can have an abnormal relative partial dispersion.
  • a material with an Abbe number v d has an anomalous relative partial dispersion if the magnitude of the difference between the relative partial dispersion P g , F des material and a normal relative partial dispersion of the Abbe- number v d of the material is at least 0.005, in particular mi dt 0.01.
  • the normal relative partial dispersion is through 0.6438 — 0.001682 v d , i.e. by a straight line in a diagram that depicts a dependency between the normal relative partial dispersion Abbe number v d .
  • the relative Partial dispersion describes a difference between the refractive indices of two specific wavelengths in relation to a reference wavelength interval and represents a measure of the relative strength of the dispersion in the spectral range between these two wavelengths.
  • the three wavelengths required for this are the wavelength of the g-line of mercury (435.83 nm), the wavelength of the hydrogen F-line (486.13 nm) and the hydrogen C-line (656.21 nm), so that the relative partial dispersion P g ,F by is given, where nF and nc are the same as for v d .
  • Partial dispersion another definition can be used, in which e.g. the F and C lines of hydrogen are replaced by the F' and C' lines of cadmium.
  • two optical elements of an optical component arranged directly one behind the other have a common contact surface in the form of a free-form surface.
  • the length of the first optical element Az-i(x,y) can be used as a power series with However, summation limits of these equations can also be set higher.
  • the length of the first optical element Az t can also be specified in polar coordinates.
  • the length Az t is a function of the radius r and the polar angle ⁇ . This is particularly useful when the optical components are rotated in relation to one another, as is described in published application DE 102015 119255 A1.
  • the wavefront deformation then contains a rotation angle a instead of the displacement path a and the spatial coordinates (x, y) are to be replaced by polar coordinates, so that the wavefront deformation is given by instead of W ⁇ , ⁇ (x, y).
  • W ⁇ , ⁇ (x, y) the two optical components are both shifted against each other and rotated against each other.
  • At least one optical element of at least one optical component can include or consist of one or more of the following materials: P-SF68 glass from SCHOTT AG, N-LASF44 glass from SCHOTT AG, N-FK58 or N-BK7 glasses from Manufacturer SCHOTT AG, polymethyl methacrylate (PMMA) and polycarbonate (PC).
  • PMMA polymethyl methacrylate
  • PC polycarbonate
  • An exemplary embodiment according to the invention contains optical elements made from the media N-LASF44 and P-SF68. Of course, other material combinations are also conceivable.
  • a first optical element of the first optical component comprises or consists of the material PMMA and a second optical element of the first optical component comprises the material PC or consists of it.
  • a second optical component configured identically to the described first optical component can be present, with the respective second optical elements, ie the optical elements comprising the material PC, being arranged facing one another.
  • an optical device is provided.
  • the optical device according to the invention can be, for example, an optical observation device such as a microscope, in particular a surgical microscope, a telescope, a camera or an optical instrument from the field of ophthalmology, etc.
  • an optical device such as an optical measuring device.
  • It is equipped with at least one wavefront manipulator according to the invention. The effects and advantages described with reference to the wavefront manipulator according to the invention can therefore be achieved in the optical device according to the invention.
  • At least one wavefront manipulator according to the invention is used in the use according to the invention to bring about an adjustable change in a wavefront, for example any arbitrary but fixed linear combination of Zernike terms, and/or to bring about one or more of the corrections or reductions mentioned below: coma, astigmatism, dichromatic correction, trichromatic correction, reduction of the secondary spectrum, reduction of the tertiary spectrum.
  • a wavefront manipulator in a further use of a wavefront manipulator according to the invention, it can be used to bring about a position-dependent correction of at least one wavefront error in a zoom lens.
  • the wavefront manipulator can be arranged in particular in the area of an (approximately) collimated beam path in the zoom lens and can be deflected laterally depending on the position of the zoom lens in such a way that it compensates for a wavefront error (e.g. a longitudinal chromatic aberration, a spherical aberration, etc.) of the zoom lens .
  • a wavefront error e.g. a longitudinal chromatic aberration, a spherical aberration, etc.
  • Wavefront manipulator to be arranged in an area so that light beams from different field points illuminate approximately the same area of the wavefront manipulator according to the invention.
  • the free-form surface can preferably be described by a polynomial in the case of explicit surface representation in the form z(x,y) which has only even powers of x in a direction x orthogonal to the direction of movement of the optical components and only odd powers in a direction y parallel to the direction of movement of y.
  • the free-form surface z(x,y) can initially be general, for example, by a polynomial expansion of the form be described, where C m,n represents the expansion coefficient of the polynomial expansion of the free-form surface in order m with respect to the x-direction and order n with respect to the y-direction.
  • x, y and z denote the three Cartesian coordinates of a point lying on the surface in the local surface-related coordinate system.
  • the coordinates x and y are to be used in the formula as dimensionless numbers in so-called lens units.
  • Lens units here means that all lengths are initially specified as dimensionless numbers and later interpreted in such a way that they are continuously multiplied by the same unit of measurement (nm, pm, mm, m).
  • the background is that geometric optics is scale-invariant and, in contrast to wave optics, does not have a natural unit of length. According to the teaching of Alvarez, a pure defocusing effect can be achieved if the free-form surface of the optical components can be described by the following third-order polynomial:
  • the lateral displacement of the optical components by a distance a
  • the surface power of such a vario lens is given by the following formula: where s is the lateral displacement of an element along the y-direction, K the scaling factor of the profile depth and n the refractive index of the material from which the lens is formed at the respective wavelength.
  • the term "and/or" when used in a series of two or more items means that each of the listed items can be used alone, or any combination of two or more of the listed items can be used.
  • composition A alone; B alone; C alone; A and B in combination; A and C in combination; B and C in combination; or A, B, and C in combination when describing a composition containing components A, B and/or C, composition A alone; B alone; C alone; A and B in combination; A and C in combination; B and C in combination; or A, B, and C in combination.
  • FIG. 1 schematically shows a wavefront manipulator according to the invention in a longitudinally sectioned view.
  • FIG. 2 schematically shows the length profile of the optical elements of an optical component of a wavefront manipulator according to the invention in the z-direction.
  • FIG 3 shows the beam path through a wavefront manipulator according to the invention for different displacement paths for varying the defocus.
  • FIG. 4-18 schematically show a first exemplary embodiment of an optical device according to the invention with a wavefront manipulator according to the invention for different input focal lengths and displacement paths and the associated transverse aberrations.
  • 19-33 schematically show a second exemplary embodiment of an optical device according to the invention with a wavefront manipulator according to the invention for different input focal lengths and displacement paths and the associated transverse aberrations.
  • 34-48 schematically show a third exemplary embodiment of an optical device according to the invention with a wavefront manipulator according to the invention for different displacement paths and the associated transverse aberrations.
  • FIG. 1 schematically shows a wavefront manipulator according to the invention.
  • the wavefront manipulator 1 comprises a first optical component 2 and a second optical component 3.
  • the first optical component 2 and the second optical component 3 are arranged one behind the other along a reference axis, which corresponds to the optical axis 9 in the example shown and in the following examples.
  • the optical axis 9 runs parallel to the z-direction of a Cartesian coordinate system.
  • the optical components 2, 3 each have a central axis 8, which preferably runs parallel to the optical axis 9.
  • the first optical component 2 and the second optical component 3 are arranged to be movable relative to one another in a plane perpendicular to the optical axis 9, ie in an xy plane.
  • the first optical component 2 and the second optical component 3 can thus be arranged to be movable in relation to one another in an xy plane by translation and/or rotation.
  • the first component 2 and the second component 3 each comprise a first optical element 4 and at least one further optical element 5.
  • the first optical element 4 and the at least one further optical element 5, in the example shown the second optical element 5, have different characteristics Refractive index curves m( ⁇ ) and ni(A), in this case n2( ⁇ ).
  • the first optical element 4 and the second optical element 5 form a contact surface 6 which is preferably designed as a free-form surface.
  • the two optical components 2 and 3 are configured identically, with corresponding optical elements 4, 5 being arranged facing one another; in the variant shown, the second optical elements 5 are arranged facing one another.
  • the optical components 2 and 3 preferably comprise a planar outer surface 7, the planar outer surfaces being arranged facing away from one another and being formed by the first optical element 4 in each case.
  • There is a gap between the first and second optical components which is at least wide enough for the two components to be able to be moved relative to one another without coming into mechanical contact. It is useful to choose this gap as small as possible.
  • the optical elements 4 and 5 have a location-dependent length ⁇ z i (x,y) in the z-direction parallel to the optical axis 9 with respect to the local coordinates x and y of the optical component 2 or 3 . This is shown schematically in FIG.
  • the numbering is arbitrary.
  • the optical element 5 can also be the first optical element and the optical element 4 can be the second optical element. It is only necessary to ensure that the first optical element 1 has a length ⁇ z 1 (x, y) that is dependent on the location (x, y).
  • a planar outer surface 7 of the optical components 2, 3, which are directed outwards as shown in FIG. 1 can also be used.
  • a planar outer surface 7 is favorable, however, because the distance between the surfaces 13 of the wave front manipulator 1 that have a curvature is thereby reduced and fewer aberrations arise. It can materials of the optical elements 4 and
  • FIG. 3 shows the beam path through a wavefront manipulator 1 according to the invention for different displacement paths a of the two optical components 2 and 3 relative to one another perpendicular to the optical axis 9 for varying the defocus.
  • the aperture is marked with the reference numeral 10.
  • the drawn light beams 11 correspond to a plane wave that falls on the aperture 10 . In the case of negative displacement paths a, the rays 11 running to the right are extended to the left, so that the focus 12 is to the left of the wave front manipulator 1 .
  • the exemplary embodiments show how the length z 1 x, y) and the constants y 1, i and c i can be selected depending on the refractive index curves of the materials involved, so that wavefront manipulators can be implemented which have the wavefront deformations desired in an optical system generate W a, ⁇ (x,y).
  • the length ⁇ z 1 (x, y) can be selected in accordance with Table 1 on page 88 of Reference 1 cited at the outset. For example, tilt (Tiit), focusing, astigmatism, coma, spherical aberration or linear combinations thereof can be generated.
  • the basic structure of the achromatic wavefront manipulator according to the invention is described below, which generates almost identical wavefront deformations ⁇ z 1 (x, y) at at least two wavelengths ⁇ I and ⁇ III with ⁇ I ⁇ III . It consists of two identical optical components 2 and 3, which are each constructed from two optical elements 4 and 5 with a refractive index progression n 1 ( ⁇ ) and n 2 ( ⁇ ), as shown schematically in FIG.
  • the two dashed lines parallel to the y-axis illustrate the position of two planes at a distance d, which run parallel to the xy-plane and between which one of the two optical planes Components 2 and 3 of the wavefront manipulator 1 is located.
  • a wavefront manipulator for focusing is now designed for the visual spectrum.
  • the value y 1.2 -0.3613 results for the proportionality factor y 1.2 .
  • the coefficient c 0,0 just corresponds to the length Az 1 (0,0) along the z-axis.
  • the coefficients c 2.1 and c 0 3 generate the defocus terms in the wavefront W ⁇ , ⁇ (x,y).
  • the term c 0,1 serves to reduce the range of values of the length ⁇ z 1 (x,y) and allows reducing the thickness of the medium 2 as well as the air gap between the components. Deviations of the realized wavefront deformation from the desired wavefront deformation can thus be reduced.
  • the higher polynomial coefficients c 4.1 , c 2.3 and c 0.5 are used to give the generated wavefront W ⁇ , ⁇ (x,y) for all displacement paths a as spherical a shape as possible, so that the transverse aberrations of the overall system remain small.
  • Az 2 (x,y) -0.3613 • ⁇ z 1 (x,y) + 1.5226 mm.
  • the outer boundary surfaces of the wave front manipulator between air and the first optical element is a plane surface.
  • the air thickness between the two optical components of the wavefront manipulator which are preferably designed as plates, is 0.2mm.
  • the displacement path a is in the range — 5.035mm ⁇ a ⁇ +4.921mm.
  • the air gap between the wavefront manipulator and the aperture is 1 mm. This completely describes the geometric structure of the wavefront manipulator.
  • FIGS. 4, 7, 10, 13 and 16 schematically show an optical device according to the invention with a wavefront manipulator 1 according to the invention, which is used for adapting to different input focal lengths.
  • a rotationally symmetrical lens 21 consisting of a diaphragm (not shown) and two cemented elements 22 and 23 is located behind the wave front manipulator 1 in the direction of radiation. The structure of this lens is shown in Table 1 attached.
  • Table 1 illustrates the structure of the rotationally symmetrical lens 21 of the first embodiment from the aperture to the image plane.
  • the surfaces of numbers 2 and 6 represent rotationally symmetrical aspheres whose surface geometry is given by the following polynomial:
  • one of the optical elements 4 or 5 comprises the material N-LASF44 or consists of it, and the other, for example further or second optical element comprises the Material P-SF68 or consists of this.
  • Each of the optical components 2 and 3 shown can be between 2 mm and 3 mm thick in the z-direction.
  • the ones shown Cemented elements 22 and 23 can each be between 5 and 15 mm thick, for example about 10 mm thick or long in the z-direction.
  • FIGS. 5 and 6 show the transverse aberrations associated with the setting in FIG. y direction.
  • the curves associated with a wavelength of 587.6 nm are identified by reference numeral 31
  • the curves associated with a wavelength of 656 nm are identified by reference numeral 32
  • the curves associated with a wavelength of 486.1 nm are identified by reference numeral 33 .
  • the scale in the diagrams shown is 2 pm and corresponds to the Airy diameter.
  • FIGS. 8 and 9 show the transverse aberrations associated with the setting in FIG. y direction.
  • FIGS. 11 and 12 show the transverse aberrations associated with the setting in FIG. y direction.
  • FIGS. 14 and 15 show the transverse aberrations associated with the setting in FIG. y direction.
  • FIGS. 17 and 18 show the transverse aberrations associated with the setting in FIG. y direction.
  • FIGS. 5, 6, 8, 9, 11, 12, 14, 15, 17, 18 illustrate the aberrations of the overall system.
  • the Airy diameter is around 2pm. Regardless of the wavelength, the transverse aberration curves usually have a smaller amount than the Airy diameter, so that the longitudinal chromatic aberration is well corrected and the axially imaged points are imaged practically diffraction-limited.
  • an achromatic wavefront manipulator is also used in the second exemplary embodiment to compensate for different input focal lengths, so that axial points at different distances are focused on the same point.
  • condition (1) results in the length ⁇ z 2 (x, y) for a wavefront manipulator according to the invention
  • ⁇ z 2 (x,y) -0.4328 • ⁇ z 1 (x,y) + 0.8328 mm.
  • the displacement path a is in the range — 3.013mm ⁇ a ⁇ +2.864mm.
  • the air gap between the wavefront manipulator and the aperture is 1 mm. This completely describes the geometric structure of the wave front manipulator.
  • FIGS. 19, 22, 25, 28 and 31 schematically show an optical device according to the invention with a wavefront manipulator 1 according to the invention, which is used for adapting to different input focal lengths.
  • a rotationally symmetrical lens 21 consisting of an aperture, which is located between the wave front manipulator 1 and lens 21, and two cemented elements 22 and 23.
  • the structure of this lens is shown in Table 2 attached. This describes the structure of the rotationally symmetrical lens of the second exemplary embodiment from the aperture to the image plane.
  • the aspherical surface can be calculated using the expression given above for z asph(x,y).
  • FIGS. 20 and 21 show the transverse aberrations associated with the setting in FIG. y direction.
  • FIGS. 23 and 24 show the transverse aberrations associated with the setting in FIG. y direction.
  • FIGS. 26 and 27 show the transverse aberrations associated with the setting in FIG. y direction.
  • FIG. 20 and 21 show the transverse aberrations associated with the setting in FIG. y direction.
  • FIGS. 23 and 24 show the transverse aberrations associated with the setting in FIG. y direction.
  • FIGS. 29 and 30 show the transverse aberrations associated with the setting in FIG. y- Direction.
  • FIGS. 32 and 33 show the transverse aberrations associated with the setting in FIG. y direction.
  • FIGS. 20, 21, 23, 24, 26, 27, 29, 30, 32 and 33 illustrate the aberrations of the overall system.
  • the Airy diameter is around 2pm.
  • the transverse aberration curves usually have an amount smaller than the Airy diameter, so that the longitudinal chromatic aberration is well corrected and the axially imaged points are imaged with practically diffraction limitation. Again, the correction of the longitudinal chromatic aberration is clearly visible.
  • This wavefront manipulator is suitable, for example, for focusing in a miniature camera - object distances from infinity to 62.5mm are possible.
  • This wavefront manipulator can then be combined with a fixed focal length lens at a fixed distance from the image sensor. The imaging quality is equally good for all object distances.
  • the third exemplary embodiment described below relates to a CHL manipulator without refractive power, in which the position of the focus remains almost constant at a central wavelength, while the focus positions shift at the outer wavelengths.
  • a manipulator with which the longitudinal chromatic aberration can be variably adjusted is referred to as a CHL manipulator.
  • the refractive power of the wavefront manipulator is almost independent of the displacement path a.
  • the refractive power has an opposite sign and is dependent on the displacement path a. It is thus possible to shift the focal positions in relation to one another for the outer wavelengths.
  • Such an optic can be used, for example, to correct the longitudinal chromatic aberration of another optic, not shown in FIGS. 34, 37, 40, 43 and 46, which is located between the object point and the wave front manipulator.
  • the optics (not shown) can also be arranged between the wave front manipulator 1 and the image point or can also completely replace the lens 21 . It is also possible to mount the wavefront manipulator 1 in the middle of the optics, which are not shown.
  • These optics, which are not shown can also be a zoom lens which, depending on the zoom setting, has a different longitudinal chromatic aberration, which is compensated for with the wave front manipulator according to the invention.
  • Equation (A-1) is used again for this purpose.
  • W ⁇ , ⁇ (x,y) f(a) with any function f(a) which does not depend on the spatial coordinates x and y depends. This is the case when the optical path length l of an optical component according to equation (A-1) for the wavelength is a constant c' independently of the spatial coordinates (x, y), so that applies
  • ⁇ ( ⁇ d ) ⁇ z 1 (x, y) • n1( ⁇ d ) + ⁇ z 2 (x, y) • 2 ( ⁇ d ) + [d - ⁇ z 1 (x, y) -
  • the constant of proportionality ⁇ 1.2 thus results in ⁇ 1.2 — — 0.800.
  • Figures 34, 37, 40, 43 and 46 show the construction of the optical device of the third embodiment.
  • the input focal width is 250mm, regardless of the displacement path a.
  • the light beams 11 shown correspond to the wavelength of light these light beams run behind the wavefront manipulator approximately independently of the displacement path a. This behavior can also be seen from the transverse aberrations in FIGS. 35, 36, 38, 39, 41, 42, 44, 45, 47 and 48.
  • the transverse aberration curve 31 for ⁇ d runs approximately along the abscissa and thus shows that the image plane is always properly focused for this wavelength, regardless of the displacement path. In contrast, a different picture emerges for the outer wavelengths ⁇ c and ⁇ F .
  • the transverse aberrations 32 and 33 at these wavelengths are straight lines to a good approximation, the slope of which depends on the displacement path a and have different signs.
  • This transverse aberration at wavelengths ⁇ c and ⁇ F thus corresponds to a defocusing which depends on the displacement path.
  • This exemplary embodiment thus describes a CHL manipulator.
  • blank pressed glasses or plastics can be used as optical elements. These options are particularly inexpensive.
  • one of the two media can first be shaped and then the second medium can be introduced into the mold in a precision molding or plastic injection molding machine and used as a stamp.
  • an apochromatic wavefront manipulator can be implemented if two media with the same relative partial dispersion P are used for the at least two optical elements.
  • Such a device is characterized in that an equation analogous to (A-2) is valid for a further wavelength.
  • an apochromatic wavefront manipulator for focusing can be implemented if three media are used, with at least one medium having an anomalous partial dispersion.

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Abstract

Es wird ein Wellenfrontmanipulator (1) mit mindestens einer ersten optischen Komponente (2) und einer zweiten optischen Komponente (3), die entlang einer Bezugsachse (9) hintereinander angeordnet sind, wobei die erste optische Komponente (2) und die zweite optische Komponente (3) senkrecht zur Bezugsachse (9) relativ zueinander bewegbar angeordnet sind, offenbart. Die erste optische Komponente (2) und die zweite optische Komponente (3) umfassen jeweils ein erstes optisches Element (4) und mindestens ein weiteres optisches Element (5) mit voneinander abweichenden Brechzahlverläufen n1(λ) und ni(λ), welche entlang der Bezugsachse (9) hintereinander angeordnet sind, wobei die optischen Elemente (4, 5) eine bezüglich lokaler Koordinaten x und y der optischen Komponente (2, 3) eine ortsabhängige Länge ∆z(x,y) in z-Richtung parallel zur Bezugsachse (9) aufweisen.

Description

Wellenfrontmanipulator und optisches Gerät
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wellenfrontmanipulator mit wenigstens einer ersten optischen Komponente und einer zweiten optischen Komponente, die entlang einer Bezugsachse hintereinander angeordnet sind, wobei die erste optische Komponente und die zweite optische Komponente senkrecht zu der Bezugsachse relativ zueinander bewegbar angeordnet sind. Daneben betrifft die Erfindung eine Verwendung des Wellenfrontmanipulators sowie ein optisches Gerät mit einem Wellenfrontmanipulator.
In US 3 305 294 A1 von Luiz W. Alvarez sind optische Elemente mit wenigstens einer ersten optischen Komponente und einer zweiten optischen Komponente, die entlang einer optischen Achse hintereinander angeordnet sind, jeweils eine refraktive Freiformfläche aufweisen und senkrecht zur optischen Achse gegeneinander verschiebbar sind, beschrieben. Durch laterales Verschieben der optischen Komponenten mit den Freiformflächen lässt sich die Brechkraftwirkung eines aus den beiden Komponenten aufgebauten optischen Elements variieren. Derartige optische Elemente werden daher auch Alvarez-Elemente oder Variolinsen genannt. Eine variable Brechkraft entspricht einer variablen Fokuslage, welche durch eine Änderung des parabolischen Anteils der Wellenfront eines parallel zur Achse einfallenden Strahlbündels beschreibbar ist. In diesem Sinne kann eine Variolinse als ein spezieller Wellenfrontmanipulator angesehen werden.
In dem Dokument US 10 082 652 B2 wird eine Zoom-Optik basierend auf mehreren Wellenfront-Manipulatoren offenbart, wobei die Wellenfront- Manipulatoren aus Alvarez-Elementen bestehen. Somit können Zoom- Objektive für eine Miniaturkamera realisiert werden, welche beispielsweise in einem kompakten mobilen handgehaltenen Gerät wie einem Smartphone oder einem Laptop verwendet werden können.
In dem Dokument I. A. Palusinski et al., Lateral-shift variable aberration generators, Applied Optics Vol. 38 (1999) S. 86-90 [1] ist ein variabler monochromatischer Wellenfront-Manipulator für eine Wellenlänge λo, welcher aus zwei baugleichen Platten aus einem Material mit Brechzahlverlauf n(λ) mit jeweils einer Freiformfläche besteht, deren Oberflächenform durch eine Oberflächenfunktion T x, y) beschrieben wird, offenbart. Beide Platten können um verschiedene Verschiebewege ci senkrecht zur z-Achse in x- und/oder y-Richtung bewegt werden, wobei die z-Achse die optische Achse darstellt. Es werden verschiedene Oberflächenfunktionen T x, y), welche zur Aufprägung verschiedener Wellenfrontdeformationen Wα ,λ (x,y) auf eine einfallende Lichtwelle geeignet sind, beschrieben. So können auf eine einfallende Wellenfront Deformationen wie Tiit, Defokus, Astigmatismus, Koma, sphärische Aberration etc. aufgeprägt werden.
In dem Dokument WO 2013/079312 A1 ist ein polychromatischer Wellenfront- Manipulator beschrieben, welcher den gleichen Grundaufbau wie der Wellenfront-Manipulator aus Referenz [1 ] hat, wobei der Manipulator in einem Wellenlängenbereich min < λ < λmax verwendet werden kann und ein diffraktives optisches Element (DOE) zur Farbkorrektion eingesetzt wird. Die Furchenverläufe des DOEs werden nun so gewählt, dass die oben beschriebene Abhängigkeit der Wellenfrontdeformation Wα ,λ (x,y) von der Wellenlänge λ kompensiert wird. Auf diese Weise kann beispielsweise ein Farblängsfehler korrigiert werden.
In dem Dokument WO 2013/120800 A1 ist ein polychromatischer Wellenfront- Manipulator beschrieben, welcher den gleichen Grundaufbau wie der Wellenfront-Manipulator aus Referenz [1 ] hat, wobei jedoch zwischen den Platten anstelle von Luft eine Flüssigkeit verwendet wird. Der Brechzahlverlauf dieser Flüssigkeit wird in einer Variante derart an den Brechzahlverlauf des Plattenmaterials n(λ) angepasst, dass die Abhängigkeit der Wellenfrontdeformation Wα(x, y) von der Brechzahl n(λ) und damit von der Wellenlänge λ von der Flüssigkeit kompensiert wird. Auf diese Weise kann beispielsweise ein Farblängsfehler korrigiert werden. In einer anderen Variante ist der Wellenfrontmanipulator dafür ausgelegt, bei einer fest vorgegebenen Grundwellenlänge keine Wellenfrontdeformation zu bewirken, sondern lediglich in den Nebenwellenlängen. Es wird also nur eine chromatische (=wellenlängenabhängige) Änderung eines Wellenfrontterms bewirkt. In diesem Fall ist der Brechzahlverlauf der Immersions-Flüssigkeit derart angepasst, dass er für die Grundwellenlänge möglichst exakt mit dem des Plattenmaterials übereinstimmt und lediglich für die Nebenwellenlängen eine definierte Abweichung aufweist.
In dem Dokument DE 10 2015 119 255 A1 in Absatz [0044] ist eine einstellbare Phasenmaske beschrieben, welche aus zwei Phasenplatten besteht, die aus mehreren Materialien bestehen können, so dass unabhängig von der Wellenlänge ein Gangunterschied und eine Phasenverschiebung erzielt wird, der beziehungsweise die bis auf ganzzahlige Vielfache der Wellenlänge beziehungsweise ganzzahlige Vielfache von 2TT gleich ist.
In den Zoom-Optiken mit Wellenfront-Manipulator gemäß US 10 082 652 B2 bestehen die verwendeten Wellenfront-Manipulatoren aus Platten aus nur einem Material, welches eine wellenlängenabhängige Brechzahl (λ) aufweist. Damit ist klar, dass die Wellenfrontdeformationen Wα ,λ (x,y) eine starke Abhängigkeit von der Wellenlänge aufweisen, welche sich in den Zoom- Optiken als Farblängsfehler und als Farbquerfehler bemerkbar machen. Somit ist die Abbildungsqualität dieser Zoom-Optiken stark eingeschränkt. Andererseits ist es nicht möglich, Wellenfront-Manipulatoren gemäß US 10 082 652 B2 zu realisieren, bei denen die Wellenfrontdeformation Wα ,λ (x,y) eine besonders große Abhängigkeit von der Wellenlänge λ hat. Dies kann beispielsweise nützlich sein, um Farbfehler anderer Optikkomponenten zu kompensieren. Die Verwendung nur eines Materials auf einer Platte des Wellenfront-Manipulators schränkt somit die Anwendbarkeit des Zoom-Konzepts bei Kameras stark ein, welche in einem ganzen Spektrum eine gute Abbildungsleistung erfordern.
Der monochromatische Wellenfront-Manipulator gemäß Referenz [1 ] erzeugt für polychromatische Optiksysteme im Wellenlängenbereich min < λ < λmax eine von der Wellenlänge λ abhängige Wellenfrontdeformation Wα ,λ (x,y), welche durch den Brechzahlverlauf n(λ) vorgegeben ist. In den meisten spektral breitbandigen Anwendungen führt diese Abhängigkeit zu unerwünschten Farbfehlern, so dass dort der Wellenfront-Manipulator nicht einsetzbar ist.
Der polychromatische Wellenfront-Manipulator gemäß WO 2013/079312 A1 hat den Nachteil, dass die verwendeten DOEs Streulicht aus unerwünschten Beugungsordnungen aufweisen. Dieses Streulicht lässt sich zwar durch den Einsatz sogenannter „efficiency achromatized DOEs“ (EA-DOEs) verringern, jedoch nicht zum Verschwinden bringen. Insbesondere weisen EA-DOEs toleranz-induziertes Streulicht auf. Bei streulichtsensitiven Anwendungen wie in allen Arten von Kameras, Mikroskopen, Ferngläsern, Spektiven etc. ist somit die Verwendung von polychromatischen Wellenfront-Manipulatoren gemäß WO 2013/079312 A1 ausgeschlossen.
Der polychromatische Wellenfront-Manipulator gemäß WO 2013/120800 A1 hat den Nachteil, dass sich eine Flüssigkeit zwischen den Platten befindet. Der Brechzahlverlauf der Flüssigkeit sowie deren Transparenz sollten sich während der Produktlebensdauer nicht ändern, so dass entsprechende Anforderungen an die Flüssigkeit zu stellen sind. Weiterhin sollte der Manipulator nur in einem Temperaturbereich betrieben werden, bei dem die Flüssigkeit im flüssigen Aggregatzustand bleibt. Um ein Auslaufen der Flüssigkeit während der Produktlebensdauer zu verhindern, muss ein hoher konstruktiver Aufwand betrieben werden, der zu Kosten und erhöhten Bauraumanforderungen führt. Aus diesen Gründen ist die Verwendung von polychromatischen Wellenfront-Manipulatoren gemäß WO 2013/120800 A1 eingeschränkt.
Der Schwerpunkt der Schrift DE 10 2015 119 255 A1 besteht in der Offenlegung von Phasenplatten, die gegeneinander verdreht werden. Gemäß Absatz [0064] sind solche Elemente insbesondere für die Phasenkontrastmikroskopie geeignet. Die Ausführungsbeispiele beschränken sich daher auf Phasenringe bzw. auf die Erzeugung von Wellenfront- Deformationen Wα ,λ (x,y), welche nicht von den Ortskoordinaten x bzw. y abhängig sind.
Es ist daher eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen vorteilhaften Wellenfrontmanipulator mit wenigstens einer ersten optischen Komponente und einer zweiten optischen Komponente, die entlang einer Bezugsachse hintereinander angeordnet sind und senkrecht zur Bezugsachse relativ zueinander bewegt werden können, zur Verfügung zu stellen. Es ist eine zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein vorteilhaftes optisches Gerät zur Verfügung zu stellen. Eine dritte Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine vorteilhafte Verwendung für den erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator anzugeben.
Die erste Aufgabe wird durch einen Wellenfrontmanipulator nach Anspruch 1 gelöst, die zweite Aufgabe durch ein optisches Gerät nach Anspruch 12 und die dritte Aufgabe durch eine Verwendung eines Wellenfrontmanipulators gemäß Anspruch 13. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Aus- gestaltungen der Erfindung.
Ein erfindungsgemäßer Wellenfrontmanipulator umfasst mindestens eine erste optische Komponente und eine zweite optische Komponente. Die erste optische Komponente und die zweite optische Komponente sind entlang einer Bezugsachse hintereinander angeordnet. Weiterhin sind die erste optische Komponente und die zweite optische Komponente in einer Bewegungsrichtung senkrecht zu der Bezugsachse relativ zueinander bewegbar angeordnet. Dabei können entweder die erste optische Komponente oder die zweite optische Komponente in Bezug auf die jeweils andere optische Komponente bewegbar angeordnet sein. Vorzugsweise sind beide optische Komponenten in mindestens einer Bewegungsrichtung in einer Ebene senkrecht zur Bezugsachse bewegbar angeordnet.
Unter der Bezugsachse wird im vorliegenden Zusammenhang eine Achse, zum Beispiel eine z-Achse eines kartesischen oder zylindrischen Koordinatensystems, verstanden, bezüglich derer die durch den Wellenfrontmanipulator bewirkte Deformation der Wellenfront-Profile definiert ist. Mit anderen Worten ist die Bezugsachse die Achse, bezüglich derer die durch den Wellenfrontmanipulator vorgesehene Deformation der Wellenfront- Profile erfolgt. Insbesondere kann die Bezugsachse parallel zu einer Normale einer Ebene verlaufen, in welcher die erste optische Komponente und die zweite optische Komponente zueinander bewegbar sind. Die Bezugsachse kann parallel zu einer optischen Achse verlaufen oder mit dieser zusammenfallen, welche durch eine den Wellenfrontmanipulator umfassende rotationssymmetrische Optik definiert ist. Die Bezugsachse kann auch relativ zu einer Bezugsachse eines Optikaufbaus, in dem der Wellenfrontmanipulator verwendet wird, ausgerichtet sein. Dabei kann eine Bezugsachse des Optikaufbaus so gewählt werden, dass sie einer optischen Achse entspricht.
Die erste optische Komponente und die zweite optische Komponente umfassen jeweils ein erstes und mindestens ein weiteres optisches Element, also mindestens zwei optische Elemente. Die optischen Elemente weisen voneinander abweichende Brechzahlverläufe m (λ) und m (λ) auf (m (λ) + m(λ)). Der Index i kennzeichnet dabei das mindestens eine weitere optische Element. Der Betrag der Differenz der Brechzahlverläufe m(λ) und m(λ) ist vorzugsweise für mindestens eine festgelegte Wellenlänge größer als ein festgelegter Grenzwert, zum Beispiel größer oder gleich mindestens 0,01. Es können die optischen Elemente zum Beispiel aus Materialien mit den Nummern i und j aufgebaut sein können, so dass für eine Wellenlänge mit < λmax gilt l ni(λ1) nj(λ 1 ) >0.01
Die optischen Elemente sind entlang der Bezugsachse hintereinander angeordnet, vorzugsweise unmittelbar miteinander verbunden angeordnet, also ohne einen Abstand oder Zwischenraum zwischen ihnen. Vorteilhafterweise weisen das erste und das mindestens eine weitere optische Element eine Kontaktoberfläche auf, welche vorzugsweise als Freiformfläche ausgestaltet ist. Die optischen Elemente weisen eine bezüglich lokaler Koordinaten x und y der optischen Komponente eine ortsabhängige Ausdehnung oder Dicke oder Länge (im Folgenden als Länge bezeichnet) in z-Richtung parallel zur Bezugsachse Az(x,y) auf. Die Länge ist mit anderen Worten nicht konstant. Vorzugsweise handelt es sich bei den lokalen Koordinaten x und y um Koordinaten eines kartesischen Koordinatensystems.
Unter einer Freiformfläche ist im weiteren Sinn eine komplexe Fläche zu verstehen, die sich insbesondere mittels gebietsweise definierter Funktionen, insbesondere zweimal stetig differenzierbarer gebietsweise definierter Funktionen darstellen lässt. Beispiele für geeignete gebietsweise definierte Funktionen sind (insbesondere stückweise) polynomiale Funktionen (insbesondere polynomiale Splines, wie z.B. bikubische Splines, höhergradige Splines vierten Grades oder höher, oder polynomiale non-uniform rational B- Splines (NURBS)). Hiervon zu unterscheiden sind einfache Flächen, wie z. B. sphärische Flächen, asphärische Flächen, zylindrische Flächen, torische Flächen, die zumindest längs eines Hauptmeridians als Kreis beschrieben sind. Eine Freiformfläche braucht insbesondere keine Achsensymmetrie und keine Punktsymmetrie aufzuweisen und kann in unterschiedlichen Bereichen der Fläche unterschiedliche Werte für den mittleren Flächenbrechwert aufweisen.
Die erste optische Komponente und die zweite optische Komponente können jeweils mindestens eine refraktive Freiformfläche und/oder mindestens eine plane Oberfläche aufweisen. Die optischen Komponenten können dabei so angeordnet sein, dass Freiformflächen benachbarter optischer Komponenten einander zugewandt sind, oder so, dass die Freiformflächen voneinander abgewandt sind. Durch laterales Verschieben (d.h. ein Verschieben senkrecht zur Bezugsachse) der beiden optischen Komponenten relativ zueinander kann dank der Freiformflächen die Stärke der Brechkraft des optischen Elements verändert werden. Das Beeinflussen der Brechkraft durch laterales Verschieben ist in dem Dokument US 3 305 294 A1 beschrieben, auf welches in diesem Zusammenhang verwiesen wird.
Die Ausgestaltung der einzelnen optischen Komponenten des Wellenfrontmanipulators mit jeweils mindestens zwei optischen Elementen aus verschiedenen Medien, welche jeweils eine ortsabhängige Länge in z- Richtung aufweisen, hat den Vorteil, dass ein polychromatischer streulichtfreier Wellenfrontmanipulator aus festen Materialien bereitgestellt wird, mit dem einem auftreffenden Lichtbündel eine Wellenfrontdeformation W.x(x,y) aufgeprägt werden kann, wobei W.x(x,y) mit einem Verschiebeweg a und/oder einem Drehwinkel a um eine parallel zur optischen Achse verlaufende Drehachse einstellbar ist. Weiterhin ist es möglich, mittels der mehreren optischen Elemente der einzelnen optischen Komponenten die Wellenfrontdeformation für zwei unterschiedliche Wellenlängen nahezu identisch zu gestalten, sodass der Wellenfrontmanipulator als Achromat ausgestaltet sein kann. Darüber hinaus kann in einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulators die Wellenlängenabhängigkeit der Wellenfrontdeformation gerade so ausgelegt werden, dass die verschiedenen Wellenfrontdeformationen für verschiedene Wellenlängen nutzbringend im Gesamtsystem verwendet werden können, insbesondere zur Korrektur von Abbildungsfehlern. Dabei ist die Wellenfrontdeformation nicht auf einen Defokus beschränkt, sondern kann beispielsweise auch in einem Astigmatismus, Koma, sphärische Aberration oder Linearkombinationen davon bestehen. Vorzugsweise ist die Länge des mindestens einen weiteren optischen Elements Azi(x,y) nicht konstant und von der Länge des ersten optischen Elements Az-i(x,y) linear abhängig, insbesondere gemäß der Formel:
Dabei bezeichnet k > 2 die Anzahl der optischen Elemente. Das i-te optische Element mit 1 < i < k hat dann beispielsweise die Länge Δz1(x,y) sowie die Brechzahl ni(λ). Im Falle von zwei optischen Elementen, also einem ersten optischen Element 1 und einem zweiten optischen Element 2, ergibt sich eine lineare Abhängigkeit gemäß der Formel:
Dabei sind y1 ,2, c2, y1,i und ci beliebige Konstanten. Die Länge Δz1(x,y) ist je nach Anwendung frei wählbar. Ein erfindungsgemäßer Wellenfrontmanipulator kann also auch aus einzelnen optischen Komponenten mit jeweils drei oder mehr verschiedenen optischen Elementen (k ≥ 3) bestehen. Es sei hier darauf hingewiesen, dass die Numerierung der Medien bzw. der diese umfassenden optischen Elemente willkürlich ist; es ist lediglich darauf zu achten, dass das Medium 1 eine vom Ort (x, y) abhängige Länge Δz1(x,y) hat.
Der Wellenfrontmanipulator kann insbesondere optische Komponenten mit zwei optischen Elementen (k=2), also zwei Medien, aufweisen mit y1,2 = — 1, wobei die beiden an Luft grenzenden Außenflächen der einzelnen optischen Komponenten Planflächen sind.
Vorteilhafterweise gilt für jedes der mindestens zwei optischen Komponenten, dass in mindesten 80 % aller Volumina Va der jeweiligen optischen Komponente mit den Punkten (x,y,z), welche bei einem Verschiebeweg a, für den der Wellenfrontmanipulator ausgelegt ist, von Lichtstrahlen durchsetzt wird, für alle Materialien i mit beliebigen Konstanten y1 ,i und ci folgende Bedingung erfüllt ist:
Noch vorteilhafter ist es, wenn in mindestens 90 % aller Volumina Va für beliebe Konstanten y1 ,i und ci folgende strengere Bedingung erfüllt ist: Besonders vorteilhaft ist es, wenn in mindestens 97 % aller Volumina Va für beliebige Konstanten y1 ,i und ci die folgende noch strengere Bedingung erfüllt ist:
Die mindestens zwei optischen Komponenten können in Bezug auf ihre optischen Merkmale, insbesondere die optischen Merkmale der verwendeten optischen Elemente, baugleich ausgestaltet sein. Dies hat den Vorteil, dass eine kostengünstige Herstellung und Wartung, einschließlich möglicher Reparaturen, möglich ist. Darüber hinaus lässt sich das Alvarez-Prinzip nutzbringend anwenden. Zum Beispiel kann mittels eines entsprechend ausgestalteten Wellenfrontmanipulators ein Alvarez-Element mit zwei optischen Komponenten realisiert werden, bei denen sich die für die optischen Elemente verwendeten Materialien jeder Komponente unterscheiden und auch die Längen Δzi(x, y) der optischen Elemente jeder Komponente verschieden sind. Es ist dann darauf zu achten, dass die Wellenfrontdeformationen der beiden Komponenten zueinander passend gewählt werden. Weiterhin kann mindestens eine der optischen Komponenten mindestens eine plane Außenoberfläche, welche sich senkrecht zur Bezugsachse erstreckt, aufweisen. Zum Beispiel kann zumindest eine optische Komponente des Wellenfrontmanipulators als Platte, insbesondere planparallele Platte ausgestaltet sein. Besonders kostengünstige Wellenfrontmanipulatoren erhält man, wenn alle vorhandenen optischen Komponenten des Wellenfrontmanipulators als Platten, insbesondere planparallele Platten, ausgestaltet sind. Dies hat den weiteren Vorteil, dass der Abstand zwischen den optischen Komponenten minimiert werden kann und eine robuste Ausgestaltung realisiert wird.
Die optischen Komponenten können relativ zueinander durch Translation in mindestens einer Richtung senkrecht zur Bezugsachse, also in x- und/oder y- Richtung, bewegbar angeordnet sein, mit anderen Worten verschiebbar angeordnet sein. Zusätzlich oder alternativ dazu können die optischen Komponenten relativ zueinander durch Rotation um eine parallel zur Bezugsachse (z-Richtung) verlaufende Achse bewegbar angeordnet sein, also drehbar angeordnet sein. Die genannten Varianten ermöglichen die Nutzung einer Mehrzahl an Freiheitsgraden zur Korrektur von Aberrationen oder zur Realisierung einer Fokussierung, beispielsweise in Form einer Zoom- Funktion, auf sehr geringem Bauraum.
Vorteilhafter Weise umfasst mindestens eine, vorzugsweise zwei, der optischen Komponenten mindestens zwei optische Elemente, die eine relative Teildispersion aufweisen, welche sich um weniger als einen festgelegten Grenzwert unterscheiden. Bei dem festgelegten Grenzwert kann es sich um einen Wert von kleiner als 0,01 , insbesondere kleiner als 0,005, handeln. Der Wellenfrontmanipulator kann auf diese Weise als apochromatischer Wellenfrontmanipulator ausgestaltet sein, also Farbfehler weitestgehend korrigieren. Ein Aprochromat (oder „Trichromat“) erzeugt eine Wellenfrontdeformation bei welcher der parabolische Anteil für drei voneinander verschiedene Wellenlängen übereinstimmt. In einer weiteren Variante kann mindestens eine, vorzugsweise zwei, der optischen Komponenten mindestens drei optische Elemente umfassen. Dabei kann mindestens eins der optischen Elemente eine anomale relative Teildispersion aufweisen. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass der Wellenfrontmanipulator als apochromatischer Wellenfrontmanipulator zur Fokussierung verwendet werden kann und/oder zur Korrektur oder zur gezielten Erzeugung von Astigmatismus oder Koma.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung weist ein Material mit einer Abbe-Zahl vd eine anomale relative Teildispersion auf, wenn der Betrag der Differenz aus der relativen Teildispersion Pg,F des Materials und einer normalen relativen Teildispersion der Abbe- Zahl vd des Materials mindestens 0,005, insbesondere mi d t 0 01 beträgt. Dabei ist die normale relative Teildispersion durch 0,6438 — 0,001682 vd definiert, also durch eine Gerade in einem Diagramm, welches eine Abhängigkeit zwischen der normalen relativen Teildispersion Abbe-Zahl vd abbildet. Die relative Teildispersion beschreibt eine Differenz zwischen den Brechungsindices zweier bestimmter Wellenlängen bezogen auf ein Referenz- Wellenlängenintervall und stellt ein Maß für die relative Stärke der Dispersion in dem Spektralbereich zwischen diesen beiden Wellenlängen dar. Die drei dazu benötigten Wellenlängen sind vorliegend die Wellenlänge der g-Linie von Quecksilber (435,83 nm), die Wellenlänge der F-Linie von Wasserstoff (486, 13 nm) sowie die C-Linie von Wasserstoff (656.21 nm), so dass die relative Teildispersion Pg,F durch gegeben ist, wobei nF und nc dieselben sind wie bei vd. Auch bei der relativen
Teildispersion kann eine andere Definition Verwendung finden, in der bspw. die F- und C-Linien von Wasserstoff durch die F‘- und C‘-Linien von Cadmium ersetzt sind.
In einer weiteren Variante weisen zwei unmittelbar hintereinander angeordnete optische Elemente einer optischen Komponente eine gemeinsame Kontaktfläche in der Form einer Freiformfläche auf. Dies hat den Vorteil, dass die konkrete Form der Freiformfläche neben den Brechzahlverläufen und den Längen bzw. Dicken der optischen Elemente in z-Richtung als Parameter zur Erzeugung der gewünschten Wellenfrontdeformation Wα,λ (xr,y) Verfügung steht; diese Wellenfrontdeformation kann beispielsweise zur Fokussierung verwendet werden.
Die Länge des ersten optischen Elements Az-i(x,y) kann als Potenzreihe mit Summationsgrenzen dieser Gleichungen können aber auch höher angesetzt werden.
Alternativ kann die Länge des ersten optischen Elements Azt auch in Polarkoordinaten angegeben werden. In diesem Fall ist die Länge Azt eine Funktion des Radius r und des Polarwinkels φ. Dies ist insbesondere dann von Nutzen, wenn die optischen Komponenten gegeneinander verdreht werden, wie es in der Offenlegungsschrift DE 102015 119255 A1 beschrieben ist. Die Wellenfrontdeformation enthält dann statt des Verschiebeweges a einen Drehwinkel a und die Ortskoordinaten (x, y) sind durch Polarkoordinaten zu ersetzen, so dass die Wellenfrontdeformation durch gegeben ist anstelle von Wα,λ(x, y). Natürlich ist es auch denkbar, dass die beiden optischen Komponenten sowohl gegeneinander verschoben werden als auch gegeneinander verdreht werden. Mindestens ein optisches Element mindestens einer optischen Komponente kann eines oder mehrere der folgenden Materialien umfassen oder aus diesen bestehen: Glas P-SF68 des Herstellers SCHOTT AG, Glas N-LASF44 des Herstellers SCHOTT AG, die Gläser N-FK58 bzw. N-BK7 des Herstellers SCHOTT AG, Polymethylmethacrylat (PMMA) und Polycarbonat (PC). Genauso gut können aber auch alle anderen Gläser verwendet werden, beispielsweise solche der Hersteller Ohara, Coming, Guoguang etc. Ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel beinhaltet optische Elemente aus den Medien N-LASF44 und P-SF68. Selbstverständlich sind auch andere Matenalkombinationen denkbar.
In einer weiteren vorteilhaften Variante umfasst jeweils ein erstes optisches Element der ersten optischen Komponente das Material PMMA oder besteht daraus und ein zweites optisches Element der ersten optischen Komponente das Material PC oder besteht daraus. Auch in dieser Variante kann ein der beschriebenen ersten optischen Komponente baugleich ausgestaltete zweite optische Komponente vorhanden sein, wobei die jeweils zweiten optischen Elemente, also die das Material PC umfassenden optischen Elemente, einander zugewandt angeordnet sind.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein optisches Gerät zur Verfügung gestellt. Das erfindungsgemäße optische Gerät kann beispielsweise ein optisches Beobachtungsgerät wie etwa ein Mikroskop, insbesondere Operationsmikroskop, ein Teleskop, eine Kamera oder ein optisches Instrument aus dem Bereich der Augenheilkunde etc. sein. Es kann aber auch ein anderes optisches Gerät, wie beispielsweise eine optische Messeinrichtung, sein. Es ist mit wenigstens einem erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator ausgestattet. In dem erfindungsgemäßen optischen Gerät können daher die mit Bezug auf den erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator beschriebenen Wirkungen und Vorteile erzielt werden.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird eine Verwendung wenigstens eines erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulators zur Verfügung gestellt. In der erfindungsgemäßen Verwendung dient wenigstens ein erfindungsgemäßer Wellenfrontmanipulator zum Bewirken einer einstellbaren Änderung einer Wellenfront, beispielsweise einer beliebigen aber festen Linearkombination von Zernike-Termen, und/oder zum Herbeiführen einer oder mehrerer der nachfolgend genannten Korrektionen bzw. Reduktionen: Koma, Astigmatismus, dichromatische Korrektion, trichromatische Korrektion, Reduktion des sekundären Spektrums, Reduktion des tertiären Spektrums.
In einer weiteren Verwendung eines erfindungsgemäßen Wellenfront- manipulators kann dieser zum Herbeiführen einer stellungsabhängigen Korrektion wenigstens eines Wellenfrontfehlers in einem Zoomobjektiv herangezogen werden. Hierzu kann der Wellenfrontmanipulator insbesondere im Bereich eines (näherungsweise) kollimierten Strahlengangs im Zoomobjektiv angeordnet und jeweils abhängig von der Stellung des Zoomobjektivs lateral so ausgelenkt werden, dass er einen Wellenfrontfehler (z.B. einen Farblängsfehler, eine Sphärische Aberration, etc.) des Zoom- objektivs kompensiert. Weiterhin ist es möglich, diesen
Wellenfrontmanipulator in einem Bereich anzuordnen, so dass Lichtbündel von verschiedenen Feldpunkten näherungsweise den gleichen Bereich des erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulators ausleuchten.
Nachfolgend werden die Grundprinzipien zum Konstruieren der Freiformflächen nach dem Stand der Technik dargelegt. Bevorzugt kann die Freiformfläche bei expliziter Flächendarstellung in der Form z(x,y) durch ein Polynom beschrieben werden, das in einer zur Bewegungsrichtung der optischen Komponenten orthogonalen Richtung x nur gerade Potenzen von x aufweist und in einer zur Bewegungsrichtung parallelen Richtung y nur ungerade Potenzen von y aufweist. Die Freiformfläche z(x,y) kann zunächst allgemein beispielsweise durch eine Polynomentwicklung der Form beschrieben werden, wobei Cm,n den Entwicklungskoeffizienten der Polynomentwicklung der Freiformfläche in der Ordnung m bzgl. derx-Richtung und der Ordnung n bzgl. der y-Richtung darstellt. Hierbei bezeichnen x, y und z die drei kartesischen Koordinaten eines auf der Fläche liegenden Punktes im lokalen flächenbezogenen Koordinatensystem. Die Koordinaten x und y sind hierbei als dimensionslose Maßzahlen in sog. Lens Units in die Formel einzusetzen. Lens Units bedeutet hierbei, dass alle Längen zunächst als dimensionslose Zahlen angegeben und später so interpretiert werden, dass sie durchgehend mit derselben Maßeinheit (nm, pm, mm, m) multipliziert werden. Hintergrund ist, dass die Geometrische Optik skaleninvariant ist, und im Gegensatz zur Wellenoptik nicht über eine natürliche Längeneinheit verfügt. Eine reine Defokussierungswirkung lässt sich gemäß der Lehre von Alvarez bewirken, wenn die Freiformfläche der optischen Komponenten durch folgendes Polynom 3. Ordnung beschrieben werden kann:
Hierbei ist angenommen, dass die laterale Verschiebung der optischen Komponenten entlang der y-Achse erfolgt, die dadurch definiert wird. Falls die Verschiebung entlang der x-Achse erfolgen soll, ist in obiger Gleichung entsprechend die Rolle von x und y zu tauschen. Der Parameter K skaliert quasi die Profiltiefe und legt auf diese Weise die erzielbare Brechkraftänderung pro Einheit des lateralen Verschiebewegs s fest.
Für parallel zur optischen Achse OA einfallende Strahlbündel und Luft (Brechzahl n = 1 ) zwischen den beiden optischen Komponenten bewirkt die laterale Verschiebung der optischen Komponenten um eine Strecke a = |±y| damit eine Änderung der Wellenfront gemäß der Gleichung: also eine Änderung der Fokuslage durch Änderung des parabolischen Wellenfrontanteils plus einen sog. Piston-Term (Zernike Polynom mit j=1 , n=0 und m=0), wobei letzterer einer konstanten Phase entspricht und sich genau dann nicht auf die Abbildungseigenschaften auswirkt, wenn sich das erfindungsgemäße optische Element im Unendlichstrahlengang befindet. Auch sonst kann der Piston-Term für die Abbildungseigenschaften meist vernachlässigt werden. Die Flächenbrechkraft einer derartigen Variolinse ist durch folgende Formel gegeben: Hierbei ist s der laterale Verschiebeweg eines Elementes entlang der y-Richtung, K der Skalierungsfaktor der Profiltiefe und n der Brechungsindex des Materials, aus dem die Linse gebildet ist, bei der jeweiligen Wellenlänge.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert. Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wird, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Die Figuren sind nicht notwendigerweise detailgetreu und maßstabsgetreu und können vergrößert oder verkleinert dargestellt sein, um einen besseren Überblick zu bieten. Daher sind hier offenbarte funktionale Einzelheiten nicht einschränkend zu verstehen, sondern lediglich als anschauliche Grundlage, die dem Fachmann auf diesem Gebiet der Technik Anleitung bietet, um die vorliegende Erfindung auf vielfältige Weise einzusetzen.
Der hier verwendete Ausdruck „und/oder“, wenn er in einer Reihe von zwei oder mehreren Elementen benutzt wird, bedeutet, dass jedes der aufgeführten Elemente alleine verwendet werden kann, oder es kann jede Kombination von zwei oder mehr der aufgeführten Elemente verwendet werden. Wird beispielsweise eine Zusammensetzung beschrieben, die die Komponenten A, B und/oder C, enthält, kann die Zusammensetzung A alleine; B alleine; C alleine; A und B in Kombination; A und C in Kombination; B und C in Kombination; oder A, B, und C in Kombination enthalten.
Fig. 1 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator in einer längs geschnittenen Ansicht.
Fig. 2 zeigt schematisch den Längenverlauf der optischen Elemente einer optischen Komponente eines erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulators in z-Richtung.
Fig. 3 zeigt den Strahlengang durch einen erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator für verschiedene Verschiebewege zur Variation des Defokus.
Fig. 4-18 zeigen schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen optischen Geräts mit erfindungsgemäßem Wellenfrontmanipulator für verschiedene Eingangsschnittweiten und Verschiebewege und die zugehörigen Queraberrationen.
Fig. 19-33 zeigen schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen optischen Geräts mit erfindungsgemäßem Wellenfrontmanipulator für verschiedene Eingangsschnittweiten und Verschiebewege und die zugehörigen Queraberrationen.
Fig. 34-48 zeigen schematisch ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen optischen Geräts mit erfindungsgemäßem Wellenfrontmanipulator für verschiedene Verschiebewege und die zugehörigen Queraberrationen.
Die Figur 1 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator. Der Wellenfrontmanipulator 1 umfasst eine erste optische Komponente 2 und eine zweite optische Komponente 3. Die erste optische Komponente 2 und die zweite optische Komponente 3 sind entlang einer Bezugsachse, welche in dem gezeigten Beispiel sowie in den folgenden Beispielen der optischen Achse 9 entspricht, hintereinander angeordnet. In dem gezeigten Beispiel verläuft die optische Achse 9 parallel zur z-Richtung eines kartesischen Koordinatensystems. Die optischen Komponenten 2, 3 weisen jeweils eine Mittelachse 8 auf, welche vorzugsweise parallel zur optischen Achse 9 verlaufen. Die erste optische Komponente 2 und die zweite optische Komponente 3 sind in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse 9, also in einer x-y-Ebene, relativ zueinander bewegbar angeordnet. Die erste optische Komponente 2 und die zweite optische Komponente 3 können also durch Translation und/oder Rotation in Bezug aufeinander in einer x-y-Ebene bewegbar angeordnet sein.
Die erste Komponente 2 und die zweite Komponente 3 umfassen jeweils ein erstes optisches Element 4 und mindestens ein weiteres optisches Element 5. Das erste optische Element 4 und das mindestens eine weitere optische Element 5, im gezeigten Beispiel das zweite optische Element 5, weisen voneinander abweichende Brechzahlverläufe m(λ) und ni(A), vorliegend n2(λ), auf. Das erste optische Element 4 und das zweite optische Element 5 bilden eine Kontaktfläche 6 aus, welche vorzugsweise als Freiformfläche ausgestaltet ist. In der gezeigten Variante sind die beiden optischen Komponenten 2 und 3 baugleich ausgestaltet, wobei einander entsprechende optische Elemente 4, 5 einander zugewandt angeordnet sind, in der gezeigten Variante sind jeweils die zweiten optischen Elemente 5 einander zugewandt angeordnet. Weiterhin umfassen die optischen Komponenten 2 und 3 vorzugsweise eine plane Außenoberfläche 7, wobei die planen Außenoberflächen einander abgewandt angeordnet sind und jeweils durch das erste optische Element 4 gebildet werden. Zwischen der ersten und zweiten optischen Komponente befindet sich ein Spalt, welcher mindestens so breit ist, dass die beiden Komponenten relativ zueinander bewegt werden können, ohne dass sie in mechanischen Kontakt kommen. Es ist nützlich, diesen Spalt möglichst klein zu wählen. Die optischen Elemente 4 und 5 weisen eine bezüglich lokaler Koordinaten x und y der optischen Komponente 2 bzw. 3 eine ortsabhängige Länge Δ zi (x,y) in z-Richtung parallel zur optischen Achse 9 auf. Dies ist in der Figur 2 schematisch gezeigt. Vorzugsweise ist die Länge Δ zi (x,y) des mindestens einen weiteren optischen Elements 5 von der Länge Δ z1 (x,y) des ersten optischen Elements 4 linear abhängig Δ zi (x,y) = y1 i • Δ z1 (x,y) + für i = 1, 2, wobei y1 i und q beliebige Konstanten sind). Die Nummerierung ist dabei willkürlich. Es kann sich in der gezeigten Variante also auch bei dem optischen Element 5 um das erste optische Element und bei dem optischen Element 4 um das zweite optische Element handeln. Es ist lediglich darauf zu achten, dass das erste optische Element 1 eine vom Ort (x, y) abhängige Länge Δ z1 (x,y) hat.
Anstelle einer planen Außenfläche 7 der optischen Komponenten 2, 3, welche wie in Figur 1 gezeigt nach außen gerichtet sind, kann auch eine andere Flächengeometrie verwendet werden. Eine plane Außenfläche 7 ist allerdings günstig, weil damit der Abstand der eine Krümmung aufweisenden Flächen 13 des Wellenfrontmanipulators 1 zueinander verringert wird und weniger Aberrationen entstehen. Es können Materialien der optischen Elemente 4 und
5 ausgewählt werden, welche bei einer Wellenlänge eine kleine Brechzahldiffere aufweisen. Damit hat die Grenzfläche
6 zwischen den beiden Materialien nur eine geringe Wirkung und die meiste brechende Wirkung tritt an der eine Krümmung aufweisenden Außenfläche 13 der jeweiligen optischen Komponente auf, welche wie in Figur 1 gezeigt an der Innenseite des Wellenfront-Manipulators 1 liegt. In diesem Fall ist der Abstand der brechenden Flächen des Wellenfrontmanipulators wiederum verringert, so dass weniger Aberrationen entstehen.
Die Figur 3 zeigt den Strahlengang durch einen erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator 1 für verschiedene Verschiebewege a der zwei optischen Komponenten 2 und 3 relativ zueinander senkrecht zur optischen Achse 9 zur Variation des Defokus. Die erste Teilabbildung von oben entspricht einem Verschiebeweg von a = +5 mm, die zweite Teilabbildung von oben entspricht einem Verschiebeweg von a = +2,5 mm, die dritte Teilabbildung von oben entspricht einem Verschiebeweg von a = 0 mm, die vierte Teilabbildung von oben entspricht einem Verschiebeweg von a = -2,5 mm und die untere Teilabbildung entspricht einem Verschiebeweg von a = -5 mm. Die Blende ist mit der Bezugsziffer 10 gekennzeichnet. Die gezeichneten Lichtstrahlen 11 entsprechen einer Planwelle, die auf die Blende 10 fällt. Bei negativen Verschiebewegen a sind die nach rechts verlaufenden Strahlen 11 nach links verlängert, so dass der Fokus 12 links von dem Wellenfrontmanipulator 1 liegt.
Im Folgenden werden drei konkrete Ausführungsbeispiele beschrieben. In den Ausführungsbeispielen wird gezeigt, wie in Abhängigkeit von den Brechzahlverläufen der beteiligten Materialien die Länge z1 x, y) sowie die Konstanten y1,i und ci gewählt werden können, sodass Wellenfrontmanipulatoren realisiert werden können, welche die in einem Optiksystem gewünschten Wellenfrontdeformationen Wa,λ(x,y) erzeugen. Insbesondere kann die Länge Δz1(x, y) entsprechend der Tabelle 1 auf Seite 88 der eingangs zitierten Referenz 1 gewählt werden. So lassen sich beispielsweise Neigung (Tiit), Fokussierung, Astigmatismus, Koma, sphärische Aberration oder Linearkombinationen davon erzeugen.
Im Folgenden wird der prinzipielle Aufbau des erfindungsgemäßen achromatischen Wellenfrontmanipulators beschrieben, der bei mindestens zwei Wellenlängen λI und λIII mit λI < λIII nahezu identische Wellenfront- Deformationen Δz1(x, y) erzeugt. Er besteht aus zwei identischen optischen Komponenten 2 und 3, welche jeweils aus zwei optischen Elementen 4 und 5 mit Brechzahlverlauf n1 (λ) und n2 (λ) aufgebaut sind wie in der Figur 2 schematisch gezeigt. Die zwei gestrichelten Linien parallel zur y-Achse verdeutlichen die Lage zweier Ebenen im Abstand d, welche parallel zur xy- Ebene verlaufen und zwischen denen eine der beiden optischen Komponenten 2 bzw. 3 des Wellenfrontmanipulators 1 liegt. Geraden durch den Punkt (x, y, z = 0mm) parallel zur z-Achse verlaufen eine geometrische Länge z1 x, y) durch das erste optische Element 4 sowie eine geometrische Länge Az2 (x, y) durch das zweite optische Element 5. Für die optische Weglänge Z(x, y, λ) entlang einer Geraden zwischen diesen Ebenen bei einer Wellenlänge λ gilt somit der Ausdruck der folgenden Gleichung (A-1 ):
Nun wird eine beliebige Wellenlänge λII mit λI < λII < λIII gewählt und wie in der Literatur üblich Abbezahlen v1,v2 für die optischen Elemente 4 und 5
und somit das Kennzeichen des erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulators nach Gleichung Δz2(x, y) = λ1,2 . Δz1(x, y) + c2.
Basierend hierauf wird nun für das visuelle Spektrum ein Wellenfrontmanipulator zur Fokussierung ausgelegt. Die Wellenlängen werden gewählt als λI = λF = 486. Inm, = λd = 587.6nm sowie — 656.3nm. Als Materialien 1 bzw. 2 der optischen Elemente 4 und 5 werden die Schott-Gläser N-LASF44 bzw. P-SF68 gewählt, welche durch die Brechzahlen n1(λd) = 1,80420 bzw. n2(λd) = 2,00520 sowie die Abbe-Zahl = 46,50 bzw. v2 = 21,00 gekennzeichnet sind. Somit ergibt sich gemäß (A-7) für den Proportionalitätsfaktor y1,2 der Wert y1,2 = -0,3613. Die Länge Δz1(x, y) wird als Potenzreihe definiert mit folgenden Polynom-Koeffizienten: c0,0 = 2 mm, c0,1 =
— 2,550946E - 02, c2,1 = 3,401261 E-04mm~2, c0,3 = 1,133754E - 04 mm~2, c4 1 = — 7,055198E — 09 mm~4, c2,3 = -4,864788E-09 mm-4 c0,5 = - 1 ,184314E-09 mm-4.
Der Koeffizient c0,0 entspricht gerade der Länge Az1(0,0) entlang der z- Achse. Die Koeffizienten c2,1 sowie c0 3 erzeugen die Defokus-Terme in der Wellenfront Wα ,λ(x,y). DerTerm c0, 1 dient dazu, den Wertebereich der Länge Δz1(x, y) zu verringern und erlaubt die Verringerung der Dicke des Mediums 2 sowie des Luftabstands zwischen den Komponenten. Somit können Abweichungen der realisierten Wellenfrontdeformation von der gewünschten Wellenfrontdeformation verringert werden. Die höheren Polynom- Koeffizienten c4,1, c2,3 und c0,5 dienen dazu, die erzeugte Wellenfront Wα ,λ(x,y) für alle Verschiebewege a eine möglichst sphärische Form zu geben, so dass die Queraberrationen des Gesamtsystems klein bleiben.
Mit der Wahl der Konstanten c2 = 1,5226mm sowie der bereits bestimmten Konstante λ1,2 = —0,3613 ergibt sich mit der Bedingung Az2(x, y) = λ1,2 • Wα ,λ(x,y) + c2 für einen erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator die Länge Az2(x, y) zu
Az2(x, y) = —0,3613 • Δz1(x, y) + 1,5226mm.
Die äußeren Grenzflächen des Wellenfrontmanipulators zwischen Luft und dem ersten optischen Element ist eine Planfläche. In der Stellung mit Verschiebeweg a = 0mm beträgt die Luftdicke zwischen den beiden optischen Komponenten des Wellenfrontmanipulators, welche vorzugsweise als Platten ausgestaltet sind, 0,2mm. Der Verschiebeweg a liegt im Bereich — 5,035mm < a < +4, 921mm. Der Luftspalt zwischen dem Wellenfrontmanipulator und der Blende beträgt 1 mm. Damit ist der geometrische Aufbau des Wellenfrontmanipulators vollständig beschrieben.
Die Figuren 4, 7, 10, 13 und 16 zeigen schematisch ein erfindungsgemäßes optisches Gerät mit erfindungsgemäßem Wellenfrontmanipulator 1 , welcher zur Anpassung an verschiedene Eingangsschnittweiten verwendet wird. In Einstrahlrichtung hinter dem Wellenfrontmanipulator 1 befindet sich ein rotationssymmetrisches Objektiv 21 bestehend aus einer nicht gezeigten Blende und zwei Kittgliedern 22 und 23. der Aufbau dieses Objektivs geht aus der angehängten Tabelle 1 hervor.
Die Tabelle 1 veranschaulicht den Aufbau des rotationssymmetrischen Objektivs 21 des ersten Ausführungsbeispiels von der Blende bis zur Bildebene. Die Flächen der Nummern 2 und 6 stellen rotationssymmetrische Asphären dar, deren Oberflächengeometrie durch das folgende Polynom gegeben ist:
In dem in den Figuren 4, 7, 10, 13 und 16 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel umfasst eines der optischen Elemente 4 oder 5 das Material N-LASF44, bzw. besteht aus diesem, und das andere, zum Beispiel weitere oder zweite optische Element umfasst das Material P-SF68 bzw. besteht aus diesem. Jede der gezeigten optischen Komponenten 2 bzw. 3 können in z-Richtung zwischen 2 mm und 3 mm dick sein. Die gezeigten Kittglieder 22 und 23 können jeweils zwischen 5 und 15 mm dick sein, zum Beispiel etwa 10 mm dick bzw. lang in z-Richtung.
In der Figur 4 beträgt die Eingangsschnittweite 142 mm und der Verschiebeweg 4,921 mm (a = +4,921 mm). Dabei ist die Eingangsschnittweite der Abstand des axialen Objektpunkts vom Wellenfrontmanipulator 1 . Die Figuren 5 und 6 zeigen die zu der Einstellung in der Figur 4 zugehörigen Queraberrationen in x-bzw. y-Richtung. Dabei sind die zu einer Wellenlänge von 587,6 nm gehörenden Kurven mit der Bezugsziffer 31 , die zu einer Wellenlänge von 656 nm gehörenden Kurven mit der Bezugsziffer 32 und die zu einer Wellenlänge von 486,1 nm gehörenden Kurven mit der Bezugsziffer 33 gekennzeichnet. Die Skala beträgt in den gezeigten Diagrammen 2 pm und entspricht dem Airy-Durchmesser.
In der Figur 7 beträgt die Eingangsschnittweite 180 mm und der Verschiebeweg 2,497 mm (a = +2,497 mm). Die Figuren 8 und 9 zeigen die zu der Einstellung in der Figur 7 zugehörigen Queraberrationen in x-bzw. y- Richtung. In der Figur 10 beträgt die Eingangsschnittweite 247,9 mm und der Verschiebeweg 0 mm (a = 0 mm). Die Figuren 11 und 12 zeigen die zu der Einstellung in der Figur 10 zugehörigen Queraberrationen in x-bzw. y- Richtung. In der Figur 13 beträgt die Eingangsschnittweite 400 mm und der Verschiebeweg -2,537 mm (a = -2,537 mm). Die Figuren 14 und 15 zeigen die zu der Einstellung in der Figur 13 zugehörigen Queraberrationen in x-bzw. y- Richtung. In der Figur 16 beträgt die Eingangsschnittweite 1000 mm und der Verschiebeweg -5,035 mm (a = -5,035 mm). Die Figuren 17 und 18 zeigen die zu der Einstellung in der Figur 16 zugehörigen Queraberrationen in x-bzw. y- Richtung.
Die Diagramme mit den Queraberrationen des Gesamtsystems in den Figuren 5, 6, 8, 9, 11 , 12, 14, 15, 17, 18 verdeutlichen die Aberrationen des Gesamtsystems. Der Airy-Durchmesser beträgt rund 2pm. Unabhängig von der Wellenlänge haben die Queraberrationskurven meist einen Betrag kleiner als den Airy-Durchmesser, so dass der Farblängsfehler gut korrigiert ist und die axial abgebildeten Punkte praktisch beugungsbegrenzt abgebildet werden.
Wie im zuvor beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel wird auch im zweiten Ausführungsbeispiel ein achromatischer Wellenfrontmanipulator zur Kompensation unterschiedlicher Eingangsschnittweiten verwendet, so dass axiale Punkte in unterschiedlichen Abständen auf den gleichen Punkt fokussiert werden. Als Wellenlängen werden wiederum λI = λF = 486, Inm,
— 587, 6nm sowie λIII = λc = 656, 3nm ausgewählt. Als Materialien 1 bzw. 2 der optischen Elemente 4 und 5 werden die Kunststoffe Polymethylmethacrylat (PMMA) bzw. Polycarbonat (PC) verwendet, welche durch die Brechzahlen n^λ^) = 1,491778 bzw. n2(λd) = 1,585474 sowie die Abbe-Zahl = 58,01 bzw. v2 = 29,89 gekennzeichnet sind. Somit ergibt sich gemäß (A-7) für den Proportionalitätsfaktor λ1,2 der Wert λ1,2 = -0,4328.
Die Länge Δz1(x, y), welche eine zur z-Achse parallele Gerade durch das Medium PMMA verläuft, definieren wir als Potenzreihe Δz1(x, y} = mit folgenden Polynom-Koeffizienten: c0,0 = 1 mm, c0 1 = — 5,966441E — 02, c2 1 = 2,796769E — 03 mm-2, c0 3 = 9,322565E — 04 mm-2, c4 1 = — 2,605597E — 07 mm-4, c2,3 — — 1,874351E — 07 mm-4, c0 5 = — 4,108484E — 08 mm-4.
Mit der Wahl der Konstanten c2 = +0, 8328mm ergibt sich mit der Bedingung (1 ) für einen erfindungsgemäßen Wellenfront-Manipulator die Länge Δz2 (x, y) zu
Δz2(x, y) = —0,4328 • Δz1(x, y) + 0,8328mm. Die äußeren Grenzflächen des Wellenfrontmanipulators zwischen Luft und dem ersten Medium ist eine Planfläche. In der Stellung mit Verschiebeweg a = 0mm beträgt die Luftdicke zwischen den beiden Platten des Wellenfrontmanipulators 0.2mm. Der Verschiebeweg a liegt im Bereich — 3,013mm < a < +2, 864mm. Der Luftspalt zwischen dem Wellenfrontmanipulator und der Blende beträgt 1 mm. Damit ist der geometrische Aufbau des Wellenfrontmanipulators vollständig beschrieben.
Die Figuren 19, 22, 25, 28 und 31 zeigen schematisch ein erfindungsgemäßes optisches Gerät mit erfindungsgemäßem Wellenfrontmanipulator 1 , welcher zur Anpassung an verschiedene Eingangsschnittweiten verwendet wird. In Einstrahlrichtung hinter dem Wellenfrontmanipulator 1 befindet sich ein rotationssymmetrisches Objektiv 21 bestehend aus einer Blende , welche sich zwischen dem Wellenfrontmanipulator 1 und Objektiv 21 befindet, und zwei Kittgliedern 22 und 23. der Aufbau dieses Objektivs geht aus der angehängten Tabelle 2 hervor. Diese beschreibt den Aufbau des rotationssymmetrischen Objektivs des zweiten Ausführungsbeispiels von der Blende bis zur Bildebene. Die Asphärenfläche kann mit dem oben angegebenen Ausdruck für zasph(x,y) berechnet werden.
In der Figur 19 beträgt die Eingangsschnittweite 62,5 mm und der Verschiebeweg 2,864 mm (a = +2,864 mm). Die Figuren 20 und 21 zeigen die zu der Einstellung in der Figur 19 zugehörigen Queraberrationen in x-bzw. y- Richtung. In der Figur 22 beträgt die Eingangsschnittweite 83 mm und der Verschiebeweg 1 ,427 mm (a = +1 ,427 mm). Die Figuren 23 und 24 zeigen die zu der Einstellung in der Figur 22 zugehörigen Queraberrationen in x-bzw. y- Richtung. In der Figur 25 beträgt die Eingangsschnittweite 122,5 mm und der Verschiebeweg 0 mm (a = 0 mm). Die Figuren 26 und 27 zeigen die zu der Einstellung in der Figur 25 zugehörigen Queraberrationen in x-bzw. y- Richtung. In der Figur 28 beträgt die Eingangsschnittweite 250 mm und der Verschiebeweg -1 ,547 mm (a = -1 ,547 mm). Die Figuren 29 und 30 zeigen die zu der Einstellung in der Figur 28 zugehörigen Queraberrationen in x-bzw. y- Richtung. In der Figur 31 liegt die Eingangsschnittweite im Unendlichen und der Verschiebeweg beträgt -3,013 mm (a = -3,013 mm). Die Figuren 32 und 33 zeigen die zu der Einstellung in der Figur 31 zugehörigen Queraberrationen in x-bzw. y-Richtung.
Die Diagramme mit den Queraberrationen des Gesamtsystems der Figuren 20, 21 , 23, 24, 26, 27, 29, 30, 32 und 33 verdeutlichen die Aberrationen des Gesamtsystems. Der Airy-Durchmesser beträgt rund 2pm. Unabhängig von der Wellenlänge haben die Queraberrationskurven meist einen Betrag kleiner als den Airy-Durchmesser, so dass der Farblängsfehler gut korrigiert ist und die axial abgebildeten Punkte praktisch beugungsbegrenzt abgebildet werden. Wiederum ist die Korrektur des Farblängsfehlers deutlich erkennbar.
Dieser Wellenfrontmanipulator ist beispielsweise dazu geeignet, die Fokussierung in einer Miniaturkamera zu übernehmen - Objektabstände von unendlich bis 62,5mm sind möglich. Dieser Wellenfrontmanipulator kann dann mit einem Objektiv fester Brennweite in einem festen Abstand zum Bildsensor kombiniert werden. Die Abbildungsqualität ist für alle Objektabstände gleich gut.
Das im Folgenden beschriebene dritte Ausführungsbeispiel betrifft einen brechkraftlosen CHL-Manipulator, bei dem die Position des Fokus bei einer mittleren Wellenlänge nahezu konstant bleibt, während sich die Fokus- Positionen bei den äußeren Wellenlängen verschieben. Als ein CHL- Manipulator wird ein Manipulator bezeichnet, mit dem der Farblängsfehler variabel eingestellt werden kann. Als Wellenlängen werden λI = λF = 486, Inm, = λd = 587, 6nm sowie III = λc = 656, 3nm gewählt. Als Materialien 1 bzw. 2 der optischen Elemente 4 und 5 werden die Schott-Gläser N-LASF44 bzw. P-SF68 gewählt, welche durch die Brechzahlen n1 (λd) = 1,80420 bzw. n2 (λd) = 2,00520 sowie die Abbe-Zahl = 46,50 bzw. v2 = 21,00 gekennzeichnet sind. Bei der mittleren Wellenlänge λd ist die Brechkraft des Wellenfrontmanipulators nahezu unabhängig vom Verschiebeweg a. Für die anderen beiden Wellenlängen und λc hat die Brechkraft ein entgegengesetztes Vorzeichen und ist vom Verschiebeweg a abhängig. So ist es möglich, die Fokuslagen bei den äußeren Wellenlängen gegeneinander zu verschieben. Mit einer solchen Optik kann beispielsweise der Farblängsfehler einer weiteren, in den Figuren 34, 37, 40, 43 und 46 nicht gezeigten Optik korrigiert werden, welche sich zwischen Objektpunkt und dem Wellenfrontmanipulator befindet. Alternativ kann die nicht gezeigte Optik auch zwischen dem Wellenfrontmanipulator 1 und dem Bildpunkt angeordnet sein oder das Objektiv 21 auch vollständig ersetzen. Es ist auch möglich, den Wellenfrontmanipulator 1 in der Mitte der nicht gezeigten Optik anzubringen. Diese nicht gezeigte Optik kann auch ein Zoom-Objektiv sein, welche je nach Zoomstellung einen unterschiedlichen Farblängsfehler aufweist, welcher mit dem erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator kompensiert wird.
Im Folgenden wird für einen solchen CHL-Manipulator die Konstante λ1,2 aus Gleichung Δz2 (x, y) = λ1,2 • Δz1(x, y) + c2 bestimmt. Dazu wird wieder bei Gleichung (A-1 ) angesetzt. Für einen erfindungsgemäßen CHL- Manipulator, welcher bei Wellenlänge keine Brechkraft aufweist, lässt sich die Wellenfrontdeformation bei Wellenlänge schreiben als Wα ,λ(x,y) = f(a) mit einer beliebigen Funktion f(a), welche nicht von den Ortskoordinaten x und y abhängt. Dies ist der Fall, wenn die optische Weglänge l einer optischen Komponente gemäß Gleichung (A-1 ) für die Wellenlänge unabhängig von den Ortskoordinaten (x, y) eine Konstante c' ist, so dass gilt
Δ(λd) = Δz1(x, y) • n1(λd) + Δz2(x, y) • 2 (λd) + [d - Δz1(x, y) -
Az2(x, y)] = c' (C-1 )
wobei c2 wiederum eine beliebige Konstante ist. Mit der
Proportionalitätskonstanten erhält man also einen erfindungsgemäßen CHL-Manipulator, welcher die Gleichung Az2(x, y) = λ1,2 . Δz1 (x, y) + c2 erfüllt. In diesem Ausführungsbeispiel werden als erstes bzw. zweites Medium die Schott-Gläser N-LASF44 bzw. P-SF68 mit Brechzahlen n1(λd) = 1,804200 bzw. n2(λd) = 2,005200 gewählt. Die Proportionalitätskonstante λ1,2 ergibt sich somit zu λ1,2 — — 0,800.
Die Länge Az1(x, y), welche eine zur z-Achse parallele Gerade durch das erste Medium N-LAF44 verläuft, ist in diesem Ausführungsbeispiel als Potenzreihe mit folgenden Polynom- Koeffizienten definiert: c0,0 = 2 mm, c0,1 = — 4,196718e — 02, c2,1 = 3,885850e — 04mm-2 , c0,3 = l,295283e — 04mm-2.
In diesem Ausführungsbeispiel ergibt sich mit Wahl der Konstanten c2 = 2,100mm für die Länge Δz2(x, y) einer zur z-Achse parallele Gerade durch das Medium P-SF68 zu Die äußeren Grenzflächen des Wellenfrontmanipulators zwischen Luft und dem ersten optischen Element 4, welches im vorliegenden Beispiel aus dem Glas N-LASF44 besteht, ist eine Planfläche. In der Stellung mit Verschiebeweg a = 0mm beträgt die Luftdicke zwischen den beiden Platten des Wellenfrontmanipulators 1mm. Der Verschiebeweg a liegt im Bereich —8mm < a < +8mm. Der Luftspalt zwischen dem Wellenfrontmanipulator und der Blende beträgt 0,14mm. Damit ist der geometrische Aufbau des Wellenfrontmanipulators vollständig beschrieben. Der Aufbau des rotationssymmetrischen Objektivs zwischen Blende und Bildebene ist in der Tabelle 1 beschrieben.
Die Figuren 34, 37, 40, 43 und 46 zeigen den Aufbau des optischen Geräts des dritten Ausführungsbeispiels. Die Eingangsschnittweite beträgt jeweils 250mm unabhängig vom Verschiebeweg a. Die eingezeichneten Lichtstrahlen 11 entsprechen Licht der Wellenlänge diese Lichtstrahlen verlaufen hinter dem Wellenfrontmanipulator näherungsweise unabhängig vom Verschiebeweg a. Dieses Verhalten kann auch den Queraberrationen aus den Figuren 35, 36, 38, 39, 41 , 42, 44, 45, 47 und 48 entnommen werden. Die Queraberrationskurve 31 für λd verläuft näherungsweise entlang der Abszisse und zeigt damit, dass die Bildebene für diese Wellenlänge immer richtig fokussiert ist unabhängig vom Verschiebeweg. Für die äußeren Wellenlängen λc und λF ergibt sich demgegenüber ein anderes Bild. Die Queraberrationen 32 und 33 bei diesen Wellenlängen sind in guter Näherung Geraden, deren Steigung vom Verschiebeweg a abhängt und unterschiedliche Vorzeichen besitzen. Diese Queraberration bei Wellenlängen λc und λF entspricht also einer Defokussierung, welche vom Verschiebeweg abhängt. Dieses Ausführungsbeispiel beschreibt somit einen CHL-Manipulator.
Einen wichtigen Spezialfall erhält man im Fall von k=2, sowie λ1,2 = — 1. In diesem Fall ist die Summe Δz1(x, y) + Δz2(x, y) konstant und von den Ortskoordinaten (x, y) unabhängig. Somit ist es möglich, dass die an Luft angrenzenden Flächen der Optikkomponenten plan sind und die Grenzfläche zwischen den Optikelementen eine Freiformfläche ist. Dies stellt einen Kostenvorteil dar, da zur Fertigung des Optikelementes nur eine einzige Freiformfläche notwendig ist.
Im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator können blankgepresste Gläser oder Kunststoffe als optische Elemente verwendet werden. Diese Optionen sind besonders kostengünstig. Zur Herstellung der optischen Komponenten kann zuerst eines der beiden Medien in Form gebracht werden und dann das zweite Medium in einer Maschine zum Blankpressen oder Kunststoff-Spritzgießen in die Form eingebracht und als Stempel verwendet werden.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung kann ein apochromatischer Wellenfrontmanipulator realisiert werden, wenn für die mindestens zwei optischen Elemente zwei Medien mit gleicher relativer Teildispersion P verwendet werden. Eine solche Einrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Gleichung analog zu (A-2) für eine weitere Wellenlänge gültig ist. Beispielsweise haben die Schott-Gläser N-FK58 bzw. N-BK7 eine nahezu identische relative Teildispersion von Pg F = 0,5347 bzw. Pg F = 0,5349. Daher ist es möglich, aus diesen beiden Materialien einen Wellenfrontmanipulator zu realisieren, bei dem die Wellenfrontdeformation für drei Wellenlängen einen nahezu identischen Wert aufweist.
Weiterhin ist ein apochromatischer Wellenfrontmanipulator zur Fokussierung realisierbar, wenn drei Medien verwendet werden, wobei mindestens ein Medium eine anomale Teildispersion aufweist. Bezugszeichenliste:
1 Wellenfrontmanipulator
2 erste optische Komponente
3 zweite optische Komponente
4 erstes optisches Element
5 weiteres optisches Element
6 Kontaktfläche
7 plane Außenoberfläche
8 Mittelachse
9 Bezugsachse
10 Blende
11 Lichtstrahlen
12 Fokus
13 Außenfläche
20 optisches Gerät
21 rotationssymmetrisches Objektiv
22 Kittglied
23 Kittglied
31 Queraberration zu einer Wellenlänge von 587,6 nm
32 Queraberration zu einer Wellenlänge von 656 nm
33 Queraberration zu einer Wellenlänge von 486,1 nm

Claims

Patentansprüche
1. Wellenfrontmanipulator (1 ) mit mindestens einer ersten optischen Komponente (2) und einer zweiten optischen Komponente (3), die entlang einer Bezugsachse (9) hintereinander angeordnet sind, wobei die erste optische Komponente (2) und die zweite optische Komponente (3) senkrecht zur Bezugsachse (9) relativ zueinander bewegbar angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die erste optische Komponente (2) und die zweite optische Komponente (3) jeweils ein erstes optisches Element (4) und mindestens ein weiteres optisches Element (5) mit voneinander abweichenden Brechzahlverläufen m(λ) und m(λ) umfasst, welche entlang der Bezugsachse (9) hintereinander angeordnet sind, wobei die optischen Elemente (4, 5) eine bezüglich lokaler Koordinaten x und y der optischen Komponente (2, 3) eine ortsabhängige Länge zi(x, y) in z-Richtung parallel zur Bezugsachse (9) aufweisen, wobei der Index i das optische Element kennzeichnet.
2. Wellenfrontmanipulator (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des mindestens einen weiteren optischen Elements Azi(x,y) nicht konstant ist und von der Länge des ersten optischen Elements Azi(x,y) linear abhängig ist zi(x, y) = y1,i • Δz1(x, y) + q für i = 1, 2, ... , k , wobei y1,i und q beliebige Konstanten sind und k die Anzahl der optischen Elemente kennzeichnet.
3. Wellenfrontmanipulator (1 ) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass für jedes der mindestens zwei optischen Komponenten (2, 3) gilt, dass in mindestens 80 Prozent aller Volumina Va der jeweiligen optischen Komponente (2, 3) mit den Punkten (x,y,z), welche bei einem Verschiebeweg a, für den der Wellenfrontmanipulator (1 ) ausgelegt ist, von Lichtstrahlen durchsetzt wird, für alle Materialien i mit beliebigen Konstanten und a gilt
4. Wellenfrontmanipulator (1 ) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass für jedes der mindestens zwei optischen Komponenten (2, 3) gilt, dass in mindestens 90 Prozent aller Volumina Va der jeweiligen optischen Komponente (2, 3) mit den Punkten (x,y,z), welche bei einem Verschiebeweg a, für den der Wellenfrontmanipulator (1 ) ausgelegt ist, von Lichtstrahlen durchsetzt wird, für alle Materialien i mit beliebigen Konstanten y1,t und d gilt
5. Wellenfrontmanipulator (1 ) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass für jedes der mindestens zwei optischen Komponenten (2, 3) gilt, dass in mindestens 97 Prozent aller Volumina Va der jeweiligen optischen Komponente (2, 3) mit den Punkten (x,y,z), welche bei einem Verschiebeweg a, für den der Wellenfrontmanipulator (1 ) ausgelegt ist, von Lichtstrahlen durchsetzt wird, für alle Materialien i mit beliebigen Konstanten yl t und d gilt
6. Wellenfrontmanipulator (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei optischen Komponenten (2, 3) in Bezug auf ihre optischen Merkmale baugleich ausgestaltet sind.
7. Wellenfrontmanipulator (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der optischen Komponenten (2, 3) mindestens eine plane Außenoberfläche (7, 13), welche sich senkrecht zur Bezugsachse (9) erstreckt, aufweist.
8. Wellenfrontmanipulator (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Komponenten (2, 3) relativ zueinander durch Translation in mindestens einer Richtung senkrecht zur Bezugsachse (9) und/oder durch Rotation um eine parallel zur Bezugsachse (9) verlaufende Achse bewegbar angeordnet sind.
9. Wellenfrontmanipulator (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der optischen Komponenten (2, 3) mindestens zwei optische Elemente (4, 5) umfasst, die eine relative Teildispersion aufweisen, welche sich um weniger als einen festgelegten Grenzwert unterscheiden.
10. Wellenfrontmanipulator (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der optischen Komponenten (2, 3) mindestens drei optische Elemente (4, 5) umfasst, wobei mindestens eins der optischen Elemente (4, 5) eine anomale relative Teildispersion aufweist.
11. Wellenfrontmanipulator (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwei unmittelbar hintereinander angeordnete optische Elemente (4, 5) einer optischen Komponente (2, 3) eine gemeinsame Kontaktfläche (6) in der Form einer Freiformfläche aufweisen.
12. Optisches Gerät (20), welches einen Wellenfrontmanipulator (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche umfasst.
13. Verwendung wenigstens eines Wellenfrontmanipulators (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zum Bewirken einer einstellbaren Änderung einer Wellenfront und/oder zum Herbeiführen wenigstens einer der Gruppe der folgenden Korrektionen bzw. Reduktionen: Astigmatismus, Koma, dichromatische Korrektion, trichromatische Korrektion, Reduktion des sekundären Spektrums, Reduktion des tertiären Spektrums.
14. Verwendung wenigstens eines Wellenfrontmanipulators (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zum Herbeiführen einer stellungsabhängigen Korrektion wenigstens eines Wellenfrontfehlers in einem Zoom-Objektiv.
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