EP4388351A1 - Wellenfrontmanipulator und optisches gerät - Google Patents

Wellenfrontmanipulator und optisches gerät

Info

Publication number
EP4388351A1
EP4388351A1 EP22764707.0A EP22764707A EP4388351A1 EP 4388351 A1 EP4388351 A1 EP 4388351A1 EP 22764707 A EP22764707 A EP 22764707A EP 4388351 A1 EP4388351 A1 EP 4388351A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
optical
manipulator
wavefront
optical element
free
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
EP22764707.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Markus Seesselberg
Marco Pretorius
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 EP4388351A1 publication Critical patent/EP4388351A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • 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
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G02B3/02—Simple or compound lenses with non-spherical faces
    • 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 perpendicular 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 wave front 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.
  • the monochromatic wavefront manipulator according to reference [1] generates a wavefront deformation W a , ⁇ (x, y) for polychromatic optical systems in the wavelength range ⁇ min ⁇ ⁇ max , which depends on the displacement path ⁇ and the wavelength ⁇ , with the dependence of of the wavelength ⁇ is predetermined by the refractive index curve n( ⁇ ) of the plate material. In most spectrally broadband applications, this dependency leads to undesired color errors, so that the wavefront manipulator cannot be used there.
  • a wavefront manipulator which comprises at least two optical components which are arranged to be displaceable in opposite directions perpendicular to the optical axis of the objective and each have at least one free-form surface.
  • the optical components can have free-form surfaces and an immersion medium can be located between them.
  • a polychromatic wavefront manipulator is described which has the same basic structure as the wavefront manipulator from reference [1], but a liquid is used between the plates instead of air.
  • the course of the refractive index of this liquid is adapted in one variant to the course of the refractive index of the plate material n( ⁇ ) in such a way that the dependence of the Wavefront deformation W a , ⁇ (x, y) is compensated by the refractive index n( ⁇ ) and thus by the wavelength X of the liquid.
  • 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.
  • the polychromatic wavefront manipulator according to DE 10 2014 118 383 A1 and WO 2013/120800 A1 has the disadvantage that there is a liquid between the plates.
  • the course of the refractive index of the liquid and its transparency should not change during the product's service life, 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 great deal of design effort is required, which leads to costs and increased installation space requirements. For these reasons, the use of polychromatic wavefront manipulators is restricted according to WO 2013/120800 A1.
  • the document DE 10 2011 055 777 B4 describes an optical element with at least a first component and a second optical component, which are arranged one behind the other along an optical axis, the first optical component and the second optical component each being perpendicular in a direction of movement are arranged to be movable relative to one another in relation to the optical axis and, over the first optical component and the second optical component, each have at least one free-form surface.
  • a first diffractive structure (DOE—diffractive optical element) is assigned to the refractive free-form surface of the first component and a second diffractive structure is assigned to the refractive free-form surface of the second component.
  • the associated diffractive structures influence a wavelength-dependent effect of the respective refractive freeform surface and are matched to the respective freeform surface in such a way that influencing the wavelength-dependent effect is a compensation of the wavelength-dependent effect of the respective effect of the refractive freeform surface.
  • a disadvantage is the difficult production of the hybrid elements with a free-form base area and an additionally impressed diffractive structure therein.
  • diffractive structures even if they are designed as so-called efficiency-achromatized DOEs, always have scattered light from undesired diffraction orders, which is unavoidable, especially if the DOE profiles are not produced perfectly, and represents an exclusion criterion for all applications where scattered light is critical.
  • the wavefront manipulators used consist of plates made of only one material, which has a wavelength-dependent refractive index n( ⁇ ). It is thus clear that the wave front deformations Wa , ⁇ (x, y) have a strong dependence on the wavelength, which is noticeable in the zoom optics as longitudinal chromatic aberration and lateral chromatic aberration. Thus, the imaging quality of these zoom optics highly 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.
  • lenses with a variable refractive power effect are increasingly being used for a variety of applications, for example in photographic or film lenses to implement a zoom functionality, but also in connection with microscopes or other optical applications. It is desirable here that a nearly wavelength-independent (achromatic) refractive power effect is provided over the entire adjustment range of the refractive power effect.
  • diffractive structures has turned out to be unfavorable in connection with applications that are critical of scattered light.
  • a first object of the present invention to provide an advantageous wavefront manipulator with 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 optical 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.
  • a wavefront manipulator according to the invention 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 arranged to be movable relative to one another in a movement direction perpendicular to the reference axis.
  • 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.
  • Optical components within the meaning of the present invention are separate components delimited by a defined outer surface, which preferably have a solid state of aggregation.
  • 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 first optical component and the second optical component each comprise a first optical element with at least one free-form surface, a refractive index m and an Abbe number v 1 and a second optical element with at least one free-form surface, a refractive index n 2 and an Abbe number v 2 .
  • the first optical element and the second optical element are arranged one behind the other along the reference axis.
  • the Abbe numbers v 1 and v 2 differ from each other
  • the configuration described has the advantage that no immersion medium is required to achieve the effects mentioned in DE 10 2014 118 383 A1 and consequently the restrictions described at the outset in connection with the use of an immersion medium are avoided.
  • the absolute value of the difference between the quotient of the refractive index m reduced by 1 and the Abbe number v 1 of the first optical element and the quotient of the refractive index n 2 reduced by 1 and the Abbe number v 2 des second optical element less than a specified limit
  • the limit value G is at most 0.01, in particular at most 0.005 and preferably at most 0.001. In this way, individually achromatized optical components can be usefully used within the scope of the wavefront manipulator according to the invention.
  • the wavefront manipulator according to the invention of this variant has the advantage that no diffractive structures and also no immersion media, liquids, etc. are required to achieve a wavelength-independent, ie achromatic, refractive power effect.
  • the individual optical components used are each achromatized, so that the wavefront manipulator can be used wherever a wavelength-independent manipulator is provided for any but fixed linear combination of Zernike terms of a wavefront shall be.
  • lenses with variably adjustable refractive power are required for a large spectral range, for example in photo or film lenses to implement a zoom functionality.
  • zoom lenses for smartphones with the requirement of a particularly flat design come into consideration here, since the invention enables particularly flat embodiments of an achromatic vario lens in the direction of the optical axis.
  • Advantageous applications are also possible in connection with achromatic varifocal lenses in fast z-scan and three-dimensional image stabilization arrangements.
  • An achromatic wavefront manipulator according to the invention can be used wherever a basic optic with at least one variably adjustable degree of freedom has variable values of an image error over the adjustment range. This image error can then be counter-compensated for in a targeted manner by the wavefront manipulator according to the invention over the entire adjustment range, without color errors occurring as an undesirable side effect.
  • Application examples are zoom lenses of all kinds, as well as in the field of microscopy for the correction of all variable influencing variables of the separating layer system (e.g. cover glass in the oblique passage).
  • the absolute value of the difference between the Abbe numbers v 1 and v 2 does not exceed a specified limit value V,
  • the limit of the absolute value of the difference in the Abbe number V can be at least 5, preferably at least 10, particularly advantageously at least 15.
  • the refractive indices differ as little as possible (ideally not at all).
  • the present invention solves the problem of providing a wavefront manipulator with variably adjustable chromatic variations of one or more wavefront errors.
  • Chromatic errors due to vario lenses when they are used, manifest themselves in an optical one
  • the system is either primarily as a longitudinal color error (in the case of an arrangement close to the pupil) or as a chromatic magnification difference or transverse color error (in the case of an arrangement close to the field) of the image.
  • other image errors such as coma or astigmatism, can also be influenced in a wavelength-dependent manner, so that, for example, chromatic variation of astigmatism or chromatic coma can result as image errors.
  • a wavefront manipulator according to the invention can be used, for example, for the targeted compensation of wavelength-dependent focus errors (longitudinal chromatic aberrations) in optical systems.
  • wavelength-dependent focus errors longitudinal chromatic aberrations
  • thermally induced or otherwise caused refractive index fluctuations in optical media often produce changes in the system refractive power that have a strong wavelength dependence.
  • the change in refractive power at a mean wavelength can usually be sufficiently well compensated for by a known defocus compensator (sliding lens, change in air space, etc.)
  • the wavelength dependency of the defocusing remains as a residual error that cannot be compensated for in any other way.
  • a wavefront manipulator according to the invention can be designed here in such a way that precisely the amounts of spherical aberration required for compensation at the fundamental wavelength and precisely the required wavelength-dependent change in spherical aberration across the wavelength range are provided.
  • the invention can be used as an additional compensation element for zoom lenses. Compensation for certain image errors that occur as a function of the zoom setting and cannot be conventionally corrected with other optical means can be effected by a wavefront manipulator according to the invention.
  • the absolute value of the refractive indices of the first optical element m and of the second optical element n 2 preferably does not exceed a specified limit value N, i.e.
  • the limit value of the absolute value of the difference in the refractive indices N is at most 0 .05, in particular 0.01 and preferably 0.002.
  • the limit value of the amount of the difference in the Abbe number V is advantageously at least 5, preferably at least 10, particularly advantageously at least 15.
  • the limit N can be at most 0.05 (
  • the limit value N is preferably at most 0.01 (
  • the first optical element and the second optical element are preferably designed to be optically transparent and have a solid state of aggregation.
  • liquid or viscoelastic materials such as transparent optocutes can initially be used, but these are solid in the final cured state.
  • the optical elements of the individual optical components of the wavefront manipulator according to the invention are arranged one behind the other along a reference axis, preferably directly connected to one another, that is to say without a spacing or gap between them.
  • the first and the second optical element have a contact surface which is preferably designed as a free-form surface.
  • the first and the second optical element can also have an outer surface which is designed as a free-form surface but does not form a contact surface with another optical element.
  • 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 Areas that are described as a circle at least along a main meridian.
  • 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 wavefront manipulator according to the invention comprises a first and/or second optical component with a first optical element made of a first optically transparent material which is flat on one side and has a free-form profile on the second side, and a precisely complementary element second optical element made of a second optically transparent material which, together with the first optical element, forms a plane-parallel plate, the first and the second optically transparent material satisfying the following condition equation for achromatism.
  • Both materials can now be solid materials such as glass or optopolymers in the final state, so that no handling of liquids such as immersion oils etc. is required. It is particularly advantageous with regard to production if the first material is a glass and the second material is an initially liquid medium which is hardened in a subsequent process step. In this case, only a single profile-forming manufacturing process for the first optical element, such as precision molding, or grinding and polishing, or, in the case of plastic, also injection molding, is required.
  • the second, complementary optical element can be formed by filling the free-form profile with a material that is initially liquid and later hardens. Then only the planar outer surface of the second element needs to be smoothed or polished.
  • the flat and smooth outer end surface of the second free-form element can also be achieved by applying an optically neutral, thin, plane-parallel glass plate, such as a section of a microscope coverslip, are formed.
  • an optically neutral, thin, plane-parallel glass plate such as a section of a microscope coverslip
  • the second material which is initially liquid during the manufacturing process, can later harden, resulting in a compact, inherently stable and, above all, inherently achromatized free-form element as a component.
  • the curing material can include, for example, reaction resins based on polyene (acrylic, methacrylic, vinyl), which are cured thermally or by UV radiation.
  • reaction resins based on polyene acrylic, methacrylic, vinyl
  • nanoparticles can also be used in a matrix made of epoxy resin or polymethyl methacrylate (PMMA).
  • PMMA polymethyl methacrylate
  • the required refractive indices and Abbe numbers can then be continuously adjusted within specific ranges.
  • the hardening material can also be glass that can be pressed blank.
  • first and the second optical element have two parallel planar boundary surfaces towards the outside, two (or more) such elements can be brought extremely close to one another without colliding with one another during the lateral displacement.
  • the size of the air gap between the plates which usually has to be a few hundredths to a few tenths of a millimeter to avoid collisions, is critical for additional parasitic image errors of a wavefront manipulator. The smaller the air spacing between elements can be made, the smaller the parasitic errors will be and the larger the amounts of wavefront effects (e.g. powers) can be before spurious effects occur.
  • the solution according to the invention represents a further development of the solution from DE 10 2014 118 383 A1.
  • the immersion medium between each two free-form plates is replaced by a solid optical material and a narrow, small enough air gap is produced by a plane cut in the middle of this material , in order to be optically ineffective in a first approximation.
  • This allows you to place a liquid or an elastic Optokittes now also use a solid, optically transparent medium, such as a second glass or an optopolymer, which meets the achromatic conditions already described in DE 10 2014 118 383 A1 with regard to refractive index and Abbe number.
  • an achromatic wave front manipulator for example an achromatic varifocal lens, can be provided, which consists of two (generally also 3 or more) outwardly plane-parallel components with free-form surfaces between the optical elements, which are intrinsically dimensionally stable and particularly easy to grasp and attach are coated.
  • 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, ⁇ m, mm, m).
  • the background is that geometric optics is scale-invariant, and In contrast to wave optics, it does not have a natural unit of length.
  • the coefficients for terms that are even in the direction of displacement can also have small values other than zero to correct parasitic beam offset errors caused by the finite spacing of the free-form profiles.
  • the coefficients on odd terms perpendicular to the shift direction are always zero.
  • exactly two elements are shifted transversely to the optical system axis (one element by the distance ⁇ y in +y, the other simultaneously by the same distance in -y direction, i.e. both in opposite directions and by the same amounts).
  • the free-form surfaces of the elements of a wavefront manipulator are often identical, so that the two free-form elements complement each other exactly to form a plane-parallel plate in a zero position.
  • the two free-form surface profiles can also differ slightly from one another in a targeted manner. However, it is difficult to give a general technical teaching for this.
  • the change in the parabolic wavefront component corresponds to a change in the focus position.
  • phase term that is independent of the pupil coordinates and can usually be neglected for the imaging properties. Exactly, this term does not affect the imaging properties at all if the element is in the infinite beam path.
  • ⁇ y is the lateral displacement path of an optical component along the y-direction
  • k is the scaling factor of the profile depth
  • two free-form elements can also be designed to influence other wavefront errors ⁇ W(x,y) of a higher order.
  • a wavefront change ⁇ W(x,y) is provided precisely when the profile function z(x,y) in the direction parallel to the displacement direction is proportional to the antiderivative of the function ⁇ W(x,y) and perpendicular to the direction of displacement is proportional to the function ⁇ W(x,y) itself.
  • the condition for the selection of the optical materials for providing a wavefront manipulator in the form of an achromatic vario lens can be derived as follows:
  • the wavefront manipulator (vario lens) according to the invention consists of at least two optical components described, which in turn each consist of two optical elements with the refractive indices n 1 ( ⁇ ) and n 2 ( ⁇ ) are composed. If one summarizes the refractive power of all partial elements of the vario lens with the refractive index n 1 ( ⁇ ) as ⁇ 1 and the refractive power of all optical elements with the refractive index n 2 ( ⁇ ) as ⁇ 2, then the following applies to these two partial refractive powers:
  • k is the freely selectable scaling factor of the free-form profile function
  • ⁇ y is the displacement path of the optical components
  • m or n 2 are the refractive indices of the materials of the two optical elements at a mean wavelength of the spectral range under consideration.
  • condition for achromatism for two closely spaced lenses is generally: The following condition can therefore be established for the respective achromatic optical components used within the scope of the wavefront manipulator according to the invention
  • a manipulator with which the longitudinal chromatic aberration can be variably adjusted is referred to as a CHL manipulator.
  • Suitable material combinations are easy to find and widely used, since the dispersion of optical polymers and epoxy resins is consistently significantly higher than that of glass with typical refractive indices of glass. But it is also easy to find combinations of two polymers or epoxides that meet the condition.
  • it is known from the prior art how optical resins or optocites can be adapted to a predetermined refractive index in a certain range by suitable changes in the chemical composition, without the Abbe number changing significantly as a result.
  • a longitudinal chromatic aberration CHL can not only be set to zero in a targeted manner, but the optical elements can also do so be trained that specifically defined amounts of CHL are generated.
  • a change in refractive power in the middle wavelength i.e. a defocus
  • a longitudinal chromatic aberration for the edge or side wavelengths there are applications where such a superimposition makes sense, such as when the mid-wavelength defocus can be compensated for by other optical means.
  • a clear separation between a change in a mean focal position and a change in the longitudinal chromatic aberration is desirable.
  • the case described above relates to the situation in which the wavefront term to be manipulated is just the defocus term. The same procedure can be followed for every other wavefront term.
  • This chromatic change in spherical aberration is also known as "Gaussian aberration" and is an otherwise difficult to control aberration in many optical devices.
  • the first optical element and the second optical element preferably each have at least one free-form surface.
  • the first optical element and the second optical element preferably a common contact surface in the form of a free-form surface. In other words, it is a common boundary surface or surface between the two optical elements, so that the free-form surfaces of the first optical element and of the second optical element correspond to one another.
  • the freeform surface can be designed to generate a wavefront change ⁇ W(x,y) at a fundamental wavelength by using the freeform profile function z(x,y) in the direction of movement of the elements relative to each other proportional to the antiderivative of ⁇ W(x,y) and perpendicular to the direction of movement is proportional to the function ⁇ W(x,y) itself, where x, y and z are coordinates of a Cartesian coordinate system and the z-axis is parallel to the reference axis.
  • the wavefront effect parallel to the direction of displacement is proportional to the derivative of the profile function.
  • the freeform surface can have a shape according to the freeform profile function have, where x, y and z are coordinates of a Cartesian coordinate system and the z-axis is parallel to the reference axis.
  • a free-form profile function would primarily influence the spherical aberration and could thus help to correct the spherical aberration that occurs when focusing into a different sample depth, for example for applications in the field of microscopy. Partial or complete compensation of the spherical aberration caused by the change in thickness of the element (piston term) in the convergent beam path can also take place in this way.
  • a wavefront manipulator for influencing the so-called Gaussian error, the chromatic variation of the 3rd order spherical aberration, can be controlled by two free-form elements with a profile function according to the aforementioned term with simultaneous compliance with the above conditions
  • ⁇ V can be provided for the optical materials.
  • a material with an Abbe number v d has an anomalous relative partial dispersion if the absolute value of the difference from the relative partial dispersion P g,F des material and a normal relative partial dispersion in the Abbe-
  • 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 and the 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 F-line of hydrogen (486.13 nm) and the C-line of hydrogen (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 .
  • a different definition can also be used for the relative partial dispersion, in which, for example, the F and C lines of hydrogen are replaced by the F' and C' lines of cadmium.
  • At least one, preferably two, of the optical components comprises at least two optical elements 1 and 2, which have a relative partial dispersion P ⁇ 1 ⁇ 2.2 which differ by less than a specified limit value T (P ⁇ 1 ⁇ 2,1 — P ⁇ 1 ⁇ 2,2 ⁇ T).
  • the specified limit value can be a value of less than or equal to 0.1 (T ⁇ 0.1), in particular less than or equal to 0.05 (T ⁇ 0.05), for example less than or equal to 0.02 (T ⁇ 0.02), act.
  • the wavefront manipulator can be designed as an apochromatic wavefront manipulator, that is to say correct color errors as far as possible. With an achromat or dichromat, the longitudinal chromatic aberration is initially corrected for exactly two wavelengths.
  • the axial chromatic aberration remaining at a third wavelength that deviates from this is called the secondary spectrum of the longitudinal chromatic aberration (at this third wavelength). If this is then also corrected, one speaks of an apochromat or trichromat.
  • An aprochromat (or "trichromat") produces a wavefront deformation W a , ⁇ (x,.y). at which the spherical
  • the condition for a trichromat is that the relative partial dispersions of the two media are the same at this third wavelength.
  • two glasses can only have the same relative partial dispersion and at the same time differ in the Abbe number (necessary for the dichromatic condition) if at least one of the two glasses deviates from a normal line of the relative partial dispersion, i.e. has an anomalous relative partial dispersion.
  • Such glasses with anomalous relative partial dispersion are also referred to as long-crown or short-flint glasses, depending on the sign of the deviation of the partial dispersion from the normal line.
  • At least one, preferably two, of the optical components can have an optical element which has an abnormal relative partial dispersion.
  • This configuration has the advantage that the wavefront manipulator can be used as an apochromatic wavefront manipulator for focusing.
  • the secondary chromatic aberrations can also be corrected.
  • the well-known mineral glasses with abnormal partial dispersion such as the short flint special glasses NKZFSxy or the long-crown glasses FKxy containing fluoride ions
  • NKZFSxy or the long-crown glasses FKxy containing fluoride ions
  • 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 that inexpensive production is possible. In addition, the Alvarez principle can be usefully applied.
  • 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 Wave front manipulator be designed as a plate, in particular plane-parallel plate. All existing optical components of the wavefront manipulator are preferably designed as plates, in particular plane-parallel plates. This has the advantage that the distance between the optical components can be minimized.
  • the optical components can be arranged to be movable relative to one another by translation in at least one direction perpendicular to the optical 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 optical 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.
  • 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 W a,x (r, ⁇ ) instead of
  • the wavefront manipulator can include at least one sensor for detecting a position and/or a movement of the optical components relative to one another.
  • At least one optical element of at least one optical component can comprise glass or an optopolymer or plastic or a monomer or a hardening material.
  • an optical device is provided.
  • the optical device according to the invention can, for example, be a lens, in particular a zoom lens, an optical Observation device such as a microscope, in particular a surgical microscope, a telescope, a camera, etc.
  • it can also be another 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.
  • the wave front manipulator according to the invention can be equipped with a sensor so that the respective displacement ⁇ y or rotation ⁇ is known. This is particularly important when the optical device represents a measuring device, for example a color confocal sensor.
  • At least one wavefront manipulator according to the invention is provided.
  • at least one wavefront manipulator according to the invention is used 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 focusing, in particular for focusing in any optical system (camera lens, microscope lens, etc.), and/or a position-dependent correction of at least one wavefront error in a zoom lens or a microscope, in particular a Objective for a surgical microscope, for an arrangement for a fast Z-scan or for a three-dimensional image stabilization.
  • the wavefront manipulator can be arranged in particular in the area of an (approximately) collimated beam path of the respective optical device and can be laterally deflected in this way depending on the position of the zoom lens be that it compensates for a wavefront error (e.g. a longitudinal chromatic aberration, a spherical aberration, etc.) of the respective optical device.
  • a wavefront error e.g. a longitudinal chromatic aberration, a spherical aberration, etc.
  • 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 beam path of an initial arrangement for the development of an optical device according to the invention.
  • 3 shows the image error curves associated with an initial arrangement at an object distance of -500 mm.
  • FIG. 6 shows the design data associated with the initial arrangement shown schematically in FIG.
  • FIG. 7-9 show schematically the optical path of an initial arrangement for the development of an optical device according to the invention with a prior art non-achromatized Alvarez lens for focusing on different object distances.
  • FIG. 10 shows the image error curves associated with FIG. 7 for an object distance of -500 mm.
  • FIG. 11 shows the image error curves associated with FIG.
  • FIG. 12 shows the image error curves associated with FIG
  • Figure 13 shows the design data associated with the arrangement shown schematically in Figures 7-9.
  • FIG. 14-16 schematically show the beam path of an optical device according to the invention with a wavefront manipulator according to the invention for focusing on different object distances.
  • FIG. 17 shows the image error curves associated with FIG. 14 for an object distance of -500 mm.
  • FIG. 18 shows the image error curves associated with FIG.
  • FIG. 19 shows the image error curves associated with FIG.
  • Fig. 20 shows those associated with the arrangement according to the invention shown schematically in Figs. 14-16
  • 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 an optical axis 9.
  • 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 x-y 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 x-y plane by translation and/or rotation.
  • the first component 2 and the second component 3 each comprise a first optical element 4 with a refractive index m and an Abbe number v 1 and a second optical element 5 with a refractive index n 2 and an Abbe number v 1 .
  • the first optical element 4 and the second optical element 5 are each arranged one behind the other along the optical axis.
  • the Refractive indices m and n 2 and the Abbe numbers v 1 and v 1 are chosen such that the amount of the difference between the quotient of the refractive index m reduced by 1 and the Abbe number v 1 of the first optical element and the quotient of the refractive index n 2 reduced by 1 and Abbe number v 2 of the second optical
  • the limit value G is preferably at most 0.01.
  • 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.
  • a different surface geometry can also be used.
  • a planar outer surface 7 is favorable, however, because the distance between the surfaces of the wavefront manipulator 1 that have a curvature is thereby reduced and fewer aberrations arise.
  • the mutually facing outer surfaces 13 of the respective optical component 2, 3 can have a curvature. In this case, the distance between the refracting surfaces of the wavefront manipulator 1 is again reduced, so that fewer aberrations arise.
  • x, y and z denote the three Cartesian coordinates of a point lying on the surface in the local surface-related coordinate system.
  • the coefficients of the polynomial expansion are given in the corresponding lines with the associated surface numbers, the polynomial coefficients being marked with the powers of the associated expansion terms.
  • FIG. 2 schematically shows the beam path of an initial arrangement for the development of an optical device according to the invention.
  • a wavefront manipulator 1 according to the invention i.e. an achromatic vario lens
  • the diameter of the aperture stop 11 is 14mm.
  • the beam path is identified by the reference number 14 and the focus is identified by the reference number 12 .
  • a non-achromatized vario lens as is to be regarded as known from the prior art, is added to vary the system refractive power and thus to adapt to the changed focal length of the object.
  • the result shows that an unavoidable longitudinal chromatic aberration occurs in the deflected positions of the manipulator.
  • This consists of an aspheric converging lens 21 on the front side made of the material FK5 from the manufacturer SCHOTT AG and a spherical diverging lens 22 made of the material SF1 from the manufacturer SCHOTT AG cemented thereto.
  • An asphere is understood to mean a lens with a rotationally symmetrical surface, the surface of which can have surface areas with radii of curvature that differ from one another.
  • the negative lens 22 is provided on the back 23 with a DOE structure, ie a number of diffractive optical elements.
  • the fixed focal length group is designed in such a way that it images an object that is 250mm in front of the vertex of the leftmost glass surface (left glass plate or first optical component 2) on an image plane at a distance of 50mm from the last lens vertex on the right .
  • a lens for a surgical microscope is suitable as an application for the example described here.
  • FIG. 2 shows this basic optical system, which occurs unchanged in the systems for steps 2 and 3.
  • Figures 3 to 5 show the associated image error curves (transverse aberrations) for the three object distances -500mm ( Figure 3), -250mm ( Figure 4) and -166.67mm (Figure 5).
  • the vertical axis corresponds to the geometric-optical transverse aberrations in the receiver plane in millimeters and ranges up to ⁇ 0.05mm.
  • the horizontal axis corresponds to the relative pupil coordinates of the penetration point of the rays through the plane of the aperture diaphragm, normalized to values from -1 to +1.
  • the curves 31 refer to a wavelength of 656 nm, the curves 32 to a wavelength of 546 nm and the curves 33 to a wavelength of 435 nm.
  • the surface 10 comprises a diffractive optical element which is used for a construction wavelength of 546.00 nm in the +1st order of diffraction.
  • the grating is designed as an ideal blaze grating (100% of the light is diffracted into a specific diffraction order for all wavelengths).
  • FIG. 6 shows the associated design data of the exemplary embodiment in the nomenclature of the CodeV optics design program from Synopsys.
  • the optics in the 3 positions are shown in a sectional view in FIGS. 7 to 9:
  • the two elements 2 and 3 which each have a free-form surface 26 on the inside, are moved laterally in opposite directions to one another, so that a variable air lens results in the inside area (Principle of the vario lens according to Alvarez).
  • the 3 positions correspond to the three object distances S 0 mentioned.
  • the position of the image plane relative to the fixed focal length group remains constant (50mm free focal length).
  • higher orders of the Alvarez free-form surface are also used in order to be able to adjust the spherical aberration accordingly when the object back focus changes.
  • the DOEs of the basic optical system are each in the +1. diffraction order operated.
  • the displacement paths of the first laterally moved free-form element are +2.0 mm (FIG. 7), 0.0 mm (FIG. 8), -2.0 mm (FIG. 9) in the 3 positions.
  • the second element is shifted by the same amount in the opposite direction.
  • Figures 10 to 12 show the associated image error curves for the three object distances -500mm (Figure 7), -250mm ( Figure 8) and -166.67mm (Figure 9).
  • the basic design data of the arrangement shown schematically in FIGS. 7 to 9 and further developed according to step 2 are given in Table 2 below.
  • Areas 1 through 14 designate the individual surfaces of the lenses and optical elements in Figures 7 through 9 from left to right.
  • the areas 12 to 14 correspond to the areas 8 to 8
  • the areas 1 and 9 have a decentering in the y-direction of 1.966888.
  • the areas 4 and 6 have a decentering in the y-direction of -1.966888.
  • the surface 14 comprises a diffractive optical element which is used for a construction wavelength of 546.00 nm in the +1st order of diffraction.
  • the grating is designed as an ideal blaze grating (100% of the light is diffracted into a specific diffraction order for all wavelengths).
  • FIG. 13 shows the associated design data of the exemplary embodiment in the nomenclature of the CodeV optics design program from Synopsys.
  • Step 3 now shows an embodiment of the achromatic variable lens according to the invention with two optical components 2 and 3 that are moved laterally to one another.
  • FIGS. 14, 15 and 16 show schematically the beam path of an optical device 20 according to the invention with a wavefront manipulator 1 according to the invention for focusing on different object distances. The position of the image plane is again constant and unchanged compared to the example in the previous step.
  • FIGS. 14 to 16 The basic design data of the arrangement shown schematically in FIGS. 14 to 16 and further developed according to step 3 are given in Table 3 below.
  • Areas 1 to 16 denote the individual surfaces of the lenses and the optical elements in Figures 14 to 16 left to right.
  • the areas 14 to 16 correspond to the areas 8 to 10 of FIG. 2 or Table 1.
  • Faces 1 and 11 have a decentering in the y-direction of 2.000000. Areas 5 and 7 have a decentering in the y-direction of -2.000000.
  • FIG. 20 shows the associated design data of the exemplary embodiment in the nomenclature of the CodeV optics design program from Synopsys.
  • Figures 17 to 19 show the associated image error curves for the three object distances -500mm (Figure 14), -250mm ( Figure 15) and -166.67mm (Figure 16). From the course of the transverse aberration curves shown for the different wavelengths in FIGS. 17 to 19 it can be seen that the longitudinal chromatic aberration CHL has now been corrected, which is precisely the aim of the wavefront manipulator used according to the invention in this exemplary embodiment.
  • the optical media of the first optical elements 4 and the second optical elements 5 fulfill the conditional equation or the inequality to a very good approximation
  • the material of the first optical element 4 is 1 2
  • the condition to be met according to the invention for the choice of material is therefore with the above information very well fulfilled.
  • the displacement paths of the first laterally moved optical component 2 are again +2.0 mm (FIG. 14), 0.0 mm (FIG. 15), -2.0 mm (FIG. 16) in the three positions.
  • the second optical component 3 shifted by the same amount in the opposite direction.
  • higher orders of the Alvarez free-form surface 6, 26 are also used.
  • this is done in order to be able to correct the spherical aberration when the object back focus changes, and on the other hand, other coefficients of the free-form profile are used to minimize the maximum profile depth.
  • a smaller distance between the free-form boundary surfaces 26 helps to keep the image errors resulting from the beam offset, which does not correspond to the paraxial view of the TEA, small.

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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) in einer Ebene senkrecht zur Bezugsachse (9) relativ zueinander bewegbar angeordnet sind, beschrieben. Die erste optische Komponente (2) und die zweite optische Komponente (3) umfassen jeweils ein erstes optisches Element (4) mit mindestens einer Freiformfläche (6, 26), einer Brechzahl m und einer Abbe-Zahl v1 und ein zweites optisches Element (5) mit mindestens einer Freiformfläche (6, 26), einer Brechzahl n2 und einer Abbe-Zahl v2, welche entlang der Bezugsachse (9) hintereinander angeordnet sind, wobei sich die Abbe-Zahlen v1 und v2 voneinander unterscheiden (v1 ≠ v2).

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 zur 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 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 λ0, 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 a 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 Wa,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.
Der monochromatische Wellenfront-Manipulator gemäß Referenz [1 ] erzeugt für polychromatische Optiksysteme im Wellenlängenbereich λmin < λ < λmax eine Wellenfrontdeformation Wa,λ(x, y), welche vom Verschiebeweg α sowie der Wellenlänge λ abhängig ist, wobei die Abhängigkeit von der Wellenlänge λ durch den Brechzahlverlauf n(λ) des Plattenmaterials vorgegeben ist. In den meisten spektral breitbandigen Anwendungen führt diese Abhängigkeit zu unerwünschten Farbfehlern, so dass dort der Wellenfront-Manipulator nicht einsetzbar ist.
In den Dokumenten DE 10 2014 118 383 A1 und WO 2013/120800 A1 wird ein Wellenfrontmanipulator beschrieben, welcher wenigstens zwei optische Komponenten, die gegenläufig zueinander senkrecht zur optischen Achse des Objektives verschiebbar angeordnet sind und jeweils wenigstens eine Freiformfläche aufweisen, umfasst. Die optischen Komponenten können Freiformflächen aufweisen und zwischen ihnen kann sich ein Immersionsmedium befinden. Es 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 Wa,λ(x, y) von der Brechzahl n(λ) und damit von der Wellenlänge X 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.
Der polychromatische Wellenfront-Manipulator gemäß DE 10 2014 118 383 A1 und 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, sodass 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. Nachteilig ist zudem, dass die Verwendung von Immersionsmedien in vielen Gerätekonzepten, insbesondere im medizinischen Bereich, problematisch ist und aufwendige technische Lösungen zum Einschluss der Immersionsflüssigkeit zwischen den Glasplatten und zur dauerhaften Versiegelung der Komponenten erforderlich macht. Ferner ist lediglich der Wellenfrontmanipulator als Ganzes durch die überlagerte Wirkung der ausgelenkten Glaselemente und der eingeschlossenen Immersionslinse achromatisiert. Dies schließt aber bestimmte verallgemeinerte Konzepte für den Aufbau von Wellenfrontmanipulatoren aus, insbesondere bei denen lediglich einige von mehreren Freiformelementen bewegt werden und die übrigen fest stehen, beispielsweise Anordnungen mit drei oder mehr beweglichen Freiformplatten, bei denen lediglich eine Komponente bewegt wird.
In dem Dokument DE 10 2011 055 777 B4 wird ein optisches Element mit wenigstens einer ersten Komponenten und einer zweiten optischen Komponente, die entlang einer optischen Achse hintereinander angeordnet sind, beschrieben, wobei die erste optische Komponente und die zweite optische Komponente jeweils in einer Bewegungsrichtung senkrecht zur optischen Achse relativ zueinander bewegbar angeordnet sind und vorbei die erste optische Komponente und die zweite optische Komponente jeweils mindestens eine Freiformfläche aufweisen. Dabei ist der refraktiven Freiformfläche der ersten Komponente eine erste diffraktive Struktur (DOE - diffraktives optisches Element) zugeordnet und der refraktiven Freiformfläche der zweiten Komponente eine zweite diffraktive Struktur zugeordnet. Die zugeordneten diffraktiven Strukturen beeinflussen eine Wellenlängen abhängige Wirkung der jeweiligen refraktiven Freiformfläche und sind derart auf die jeweilige Freiformfläche abgestimmt, dass die Beeinflussung der Wellenlängen abhängigen Wirkung einer Kompensation der Wellenlängen abhängigen Wirkung der jeweiligen Wirkung der refraktiven Freiformfläche ist. Nachteilig ist allerdings die schwierige Herstellung der hybriden Elemente mit einer Freiform-Basisfläche und darin zusätzlich eingeprägter diffraktiven Struktur. Außerdem weisen diffraktive Strukturen, auch wenn sie als sogenannte effizienz-achromatisierte DOEs ausgeführt sind, immer auch Streulicht aus unerwünschten Beugungsordnungen auf, das insbesondere bei nicht-perfekter Herstellung der DOE-Profile unvermeidbar ist und für alle streulichtkritischen Anwendungen ein Ausschlusskriterium darstellt.
In den Zoom-Optiken mit einem Wellenfront-Manipulator gemäß US 10 082 652 B2 bestehen die verwendeten Wellenfront-Manipulatoren aus Platten aus nur einem Material, welches eine wellenlängenabhängige Brechzahl n(λ) aufweist. Damit ist klar, dass die Wellenfrontdeformationen Wa,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 Wa,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.
Grundsätzlich werden für vielfältige Anwendungen, beispielsweise in Foto- oder Filmobjektiven zur Realisierung einer Zoomfunktionalität, aber auch im Zusammenhang mit Mikroskopen oder anderen optischen Anwendungen zunehmend Linsen mit variabler Brechkraftwirkung eingesetzt. Hierbei ist es erwünscht, dass eine über den kompletten Einstellbereich der Brechkraftwirkung hinweg eine nahezu wellenlängenunabhängige (achromatische) Brechkraftwirkung bereitgestellt ist. Dabei hat sich im Zusammenhang mit streulichtkritischen Anwendungen die Verwendung von diffraktiven Strukturen als ungünstig herausgestellt.
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 optischen Achse relativ zueinander bewegbar sind, 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 14 und die dritte Aufgabe durch eine Verwendung eines Wellenfrontmanipulators gemäß Anspruch 15. 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 zur 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.
Optische Komponenten im Sinne der vorliegenden Erfindung stellen separate, durch eine definierte Außenoberfläche begrenzte Bauteile dar, welche bevorzugt einen festen Aggregatzustand aufweisen.
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 erste optische Komponente und die zweite optische Komponente umfassen jeweils ein erstes optisches Element mit mindestens einer Freiformfläche, einer Brechzahl m und einer Abbe-Zahl v1 und ein zweites optisches Element mit mindestens einer Freiformfläche, einer Brechzahl n2 und einer Abbe-Zahl v2. Das erste optische Element und das zweite optische Element sind entlang der Bezugsachse hintereinander angeordnet. Die Abbe-Zahlen v1 und v2 unterscheiden sich voneinander Die beschriebene Ausgestaltung hat den Vorteil, dass zum Erreichen der in DE 10 2014 118 383 A1 genannten Effekte kein Immersionsmedium erforderlich ist und folglich die eingangs beschriebenen Einschränkungen im Zusammenhang mit der Verwendung eines Immersionsmediums vermieden werden.
In einer ersten Variante der Erfindung ist der Betrag der Differenz des Quotienten aus der Brechzahl m vermindert um 1 und der Abbe-Zahl v1 des ersten optischen Elements und des Quotienten aus der Brechzahl n2 vermindert um 1 und der Abbe-Zahl v2 des zweiten optischen Elements geringer als ein festgelegter Grenzwert Vorzugsweise beträgt der Grenzwert G höchstens 0,01 , insbesondere höchstens 0,005 und bevorzugt höchstens 0,001. Auf diese Weise können jeweils einzeln achromatisierte optische Komponenten im Rahmen des erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulators nutzbringend verwendet werden.
Der erfindungsgemäße Wellenfrontmanipulator dieser Variante hat den Vorteil, dass zum Erreichen einer wellenlängenunabhängigen, also achromatischen, Brechkraftwirkung keine diffraktiven Strukturen und auch keine Immersionsmedien, Flüssigkeiten, etc. erforderlich sind. Die verwendeten einzelnen optischen Komponenten sind jeweils achromatisiert, so dass sich der Wellenfrontmanipulator überall dort einsetzen lässt, wo ein wellenlängenunabhängig wirkender Manipulator für eine beliebige aber feste Linearkombination von Zernike-Thermen einer Wellenfront bereit gestellt werden soll. Darüber hinaus ergeben sich Anwendungen dort, wo Linsen variabel einstellbarer Brechkraft für einen großen Spektralbereich benötigt werden, also beispielsweise in Foto- oder Filmobjektiven zur Realisierung einer Zoom-Funktionalität. Speziell kommen hier insbesondere Zoom- Objektive für Smartphones mit der Anforderung einer besonders flachen Bauweise in Betracht, da die Erfindung in Richtung der optischen Achse besonders flache Ausführungsformen einer achromatischen Variolinse ermöglicht. Weiterhin sind vorteilhafte Anwendungen im Zusammenhang mit achromatischen Variolinsen in Anordnungen für einen schnellen Z-Scan und bei einer dreidimensionalen Bildstabilisierung möglich.
Anwendungen für einen erfindungsgemäßen achromatischen Wellenfrontmanipulator sind überall da gegeben, wo eine Grundoptik mit mindestens einem variabel einstellbaren Freiheitsgrad über den Verstellbereich hinweg veränderliche Werte eines Bildfehlers aufweist. Dieser Bildfehler kann dann durch den erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator über den gesamten Verstellbereich hinweg gezielt gegenkompensiert werden, ohne dass dabei als unerwünschte Nebenwirkung Farbfehler auftreten. Anwendungsbeispiele sind wiederum Zoomobjektive aller Art, sowie im Bereich der Mikroskopie zur Korrektion sämtlicher variabler Einflussgrößen des Trennschichtensystems (z.B. Deckglas im schrägen Durchtritt).
In einer zweiten Variante der Erfindung überschreitet der Betrag der Differenz der Abbe-Zahlen v1 und v2 einen festgelegter Grenzwert V nicht, |v1 — v2 | ≥ V. Der Grenzwert des Betrages der Differenz der Abbe-Zahl V kann mindestens 5, vorzugsweise mindestens 10, besonders vorteilhafterweise mindestens 15, betragen. Vorzugsweise unterscheiden sich in dieser Variante der Erfindung nur die Abbe-Zahlen der mindestens zwei optischen Elemente und gleichzeitig die Brechzahlen möglichst wenig (idealerweise gar nicht).
Die vorliegende Erfindung löst in der zweiten Variante die Aufgabe, einen Wellenfrontmanipulator mit variabel einstellbaren chromatischen Variationen eines oder mehrerer Wellenfrontfehler bereitzustellen. Chromatische Fehler durch Variolinsen manifestieren sich bei ihrer Verwendung in einem optischen System je nach Anordnung im Strahlengang entweder vorwiegend als Farblängsfehler (bei pupillennaher Anordnung) oder als chromatische Vergrößerungsdifferenz bzw. Farbquerfehler (feldnahe Anordnung) der Abbildung. In anderen Positionen können auch andere Bildfehler, wie beispielsweise Koma oder Astigmatismus, auf wellenlängenabhängige Weise beeinflusst werden, sodass sich beispielsweise chromatische Variation von Astigmatismus oder chromatische Koma als Bildfehler ergeben können.
Ein erfindungsgemäßer Wellenfrontmanipulator kann beispielsweise zur gezielten Kompensation wellenlängenabhängiger Fokusfehler (Farblängsfehler) in optischen Systemen eingesetzt werden. Beispielsweise erzeugen therm isch-induzierte oder anderweitig verursachte Brechzahlschwankungen in optischen Medien häufig Änderungen in der System brechkraft, die eine starke Wellenlängenabhängigkeit aufweisen. Während die Brechkraftänderung bei einer mittleren Wellenlänge meist durch einen bekannten Defokuskompensator (Schiebelinse, Änderung eines Luftraumes etc.) hinreichend gut kompensiert werden kann, verbleibt die Wellenlängenabhängigkeit der Defokussierung als anderweitig nicht zu kompensierender Restfehler. In diesem Grenzfall ist es mittels eines erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulators möglich, nur den Farblängsfehler zu beeinflussen und gerade keine Brechkraftänderung bei der Grundwellenlänge oder sonstige monochromatische Wellenfrontänderung zu verursachen.
Die beiden bislang genannten Varianten stellen letztlich Grenzfälle dar. Kombinationen aus der ersten und zweiten Variante der Erfindung sind dahingehend möglich, dass die Erfindung auch dazu genutzt werden kann, einen Wellenfrontmanipulator bereitzustellen, der einerseits gezielt definierte Beträge eines bestimmten monochromatischen Wellenfronteingriffs mit einer definierten chromatischen Änderung des selben Wellenfrontterms verbindet. Hierfür gibt es Anwendungen im Bereich der Mikroskopie, wo sich häufig die Aufgabe stellt, die durch Variationen einer Deckglasdicke oder die durch Variationen eines Brechungsindex eines Immersionsmediums auftretenden Wellenfrontfehler zu kompensieren. Bereits eine einfache Umfokussierung eines hochaperturigen Mikroskopobjektivs auf eine andere Objektebene durch Verstellen des Objekttisches relativ zum Mikroskop erzeugt induzierte Bildfehler am Mikroskopobjektiv, die bei einer mittleren Wellenlänge vorherberechenbare Beträge aufweisen und die gleichzeitig ebenfalls eine definierte und vorab zu berechnende chromatische Abhängigkeit aufweisen. Es ist möglich, den erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator so auszulegen, dass er für einen vorgegebenen Bildfehlertyp (Zernike-Term) gleichzeitig eine definierte Wellenfrontänderung bei der Grundwellenlänge und eine definierte spektrale Änderung des selben Bildfehlertyps über den Wellenlängenbereich hinweg erzeugt.
Zum Beispiel entstehen bei einem Mikroskop bei Änderung einer Deckglasdicke auf der optischen Achse hohe Beträge an sphärischer Aberration, die eine vorher bekannte (d.h. nach dem vorliegenden Objektivdesign zu berechnende) wellenlängenabhängige Änderung aufweist. Ein erfindungsgemäßer Wellenfrontmanipulator kann hier derart ausgelegt werden können, dass genau die zur Kompensation benötigten Beträge der sphärischen Aberration bei der Grundwellenlänge und genau die benötigte wellenlängenabhängige Änderung der sphärischen Aberration über den Wellenlängenbereich hinweg bereitgestellt werden. Weiterhin ist eine Anwendung der Erfindung als zusätzliches Kompensationsglied für Zoomobjektive möglich. Hierbei kann eine Kompensation gewisser, abhängig von der Zoomstellung auftretender und mit anderen optischen Mitteln konventionell nicht korrigierbarer, Bildfehler durch einen erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator bewirkt werden.
Vorzugsweise überschreitet der Betrag der Brechzahlen des ersten optischen Elements m und des zweiten optischen Elements n2 einen festgelegten Grenzwert N nicht, es gilt also |n1 — n2 |≤ N. Vorteilhafterweise beträgt der Grenzwert des Betrages der Differenz der Brechzahlen N höchstens 0,05, insbesondere 0,01 und vorzugsweise 0,002. Vorteilhafterweise beträgt gleichzeitig der Grenzwert des Betrages der Differenz der Abbe-Zahl V mindestens 5, vorzugsweise mindestens 10, besonders vorteilhaft mindestens 15. Zum Beispiel kann der Grenzwert N höchstens 0,05 ( |n1 — n2 | ≤ 0,05) und gleichzeitig der Grenzwert V mindestens 5 (|v1 — v2 | ≥ 5) betragen. Bevorzugt beträgt der Grenzwert N höchstens 0,01 ( |n1 — n2 | ≤ 0,01) und gleichzeitig der Grenzwert V mindestens 10 ( |v1 — v2 | ≥ 10). Idealerweise gilt, dass der Grenzwert N höchstens 0,002 ( |n1 — n2 | ≤ 0,002) und gleichzeitig der Grenzwert V mindestens 15 (|v1 — v2 | ≥ 15) beträgt.
Vorzugsweise sind das erste optische Element und das zweite optische Element optisch transparent ausgestaltet und weisen einen festen Aggregatzustand auf. Bei der Herstellung der Elemente können zunächst flüssige oder viskoeleastische Materialien wie transparente Optokitte verwendet werden, welche aber im ausgehärteten Endzustand fest sind.
Die optischen Elemente der einzelnen optischen Komponenten des erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulators sind entlang einer Bezugsachse hintereinander vorzugsweise unmittelbar miteinander verbunden angeordnet, also ohne einen Abstand oder Zwischenraum zwischen ihnen. Vorteilhafterweise weisen das erste und das zweite optische Element eine Kontaktoberfläche auf, welche vorzugsweise als Freiformfläche ausgestaltet ist. Das erste und das zweite optische Element können auch eine Außenoberfläche aufweisen, welche als Freiformfläche ausgestaltet ist, aber keine Kontaktfläche zu einem anderen optischen Element bildet.
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.
In einer beispielhaften Variante umfasst der erfindungsgemäße Wellenfrontmanipulator eine erste und/oder zweite optische Komponente mit einem ersten optischen Element aus einem ersten optisch transparenten Material, das auf einer Seite plan ist, und das auf der zweiten Seite ein Freiformprofil aufweist, und einem dazu genau komplementären zweiten optischen Element aus einem zweiten optisch transparenten Material, das sich zusammen mit dem ersten optischen Element zu einer planparallelen Platte ergänzt, wobei das erste und das zweite optisch transparente Material die nachfolgend angegebene Bedingungsgleichung für Achromasie erfüllen.
Bei beiden Materialien kann es sich nun um im Endzustand feste Materialien wie beispielsweise Glas oder Optopolymere handeln, so dass kein Handling von Flüssigkeiten wie Immersionsölen etc. erforderlich ist. Besonders vorteilhaft hinsichtlich der Herstellung ist es, wenn das erste Material ein Glas und das zweite Material ein zunächst flüssiges Medium ist, welches in einem anschließenden Prozessschritt ausgehärtet wird. In diesem Falle ist lediglich ein einzelner profilformender Herstellungsprozess für das erste optische Element, etwa Blankpressen, oder Schleifen und Polieren, oder, im Falle von Kunststoff, auch Spritzgießen, erforderlich. Das zweite, komplementäre optische Element kann durch Auffüllung des Freiformprofils durch ein zunächst flüssiges und später aushärtendes Material gebildet werden. Anschließend ist dann lediglich die plane Außenfläche des zweiten Elements zu glätten bzw. zu polieren. Alternativ kann die plane und glatte äußere Abschlussfläche des zweiten Freiformelements auch durch Aufbringen einer optisch neutralen dünnen planparallelen Glasplatte, wie etwa einem Ausschnitt eines Mikroskop- Deckglases, gebildet werden. Auf diese Weise kann zusätzlich eine besonders kratzfeste und leicht zu beschichtende Außenfläche erzeugt werden. In jedem Falle kann das zweite, beim Herstellprozess zunächst flüssige Material später aushärten, sodass ein kompaktes, in sich stabiles und vor allem als Komponente in sich achromatisiertes Freiformelement entsteht. Das aushärtende Material kann beispielsweise Reaktionsharze auf Polyenbasis (Acryl, Methacryl, Vinyl) umfassen, deren Härtung thermisch bzw. durch UV- Bestrahlung erfolgt. Eine Vielzahl geeigneter und zunächst flüssiger Materialien sind beispielsweise auch in US 8 503 080 B2, US 6 912 092 B2 oder US 7 158 320 B2 beschrieben. Es können beispielsweise auch Nanopartikel in einer Matrix aus Epoxidharz oder Polymethylmethacrylat (PMMA) verwendet werden. Durch Variation der Konzentration der Nanomaterialien können dann die erforderlichen Brechzahlen und Abbe- Zahlen stufenlos in bestimmten Bereichen eingestellt werden. Das aushärtende Material kann aber auch ein blankpressbares Glas sein.
Wenn das erste und das zweite optische Element nach außen hin zwei parallele plane Grenzflächen aufweisen, können zwei (oder mehrere) derartige Elemente extrem nah zueinander geführt werden, ohne bei der lateralen Verschiebung miteinander zu kollidieren. Es ist bekannt, dass die Größe des Luftabstands zwischen den Platten, der zur Vermeidung von Kollisionen üblicherweise einige Hundertstel bis einige Zehntel Millimeter betragen muss, kritisch für zusätzliche parasitäre Bildfehler eines Wellenfrontmanipulators ist. Je kleiner der Luftabstand zwischen den Elementen ausgeführt werden kann, desto kleiner werden die parasitären Fehler und umso größer können die Beträge der Wellenfrontwirkungen (z.B. Brechkräfte) werden, bevor Störeffekte auftreten.
Die erfindungsgemäße Lösung stellt eine Weiterentwicklung der Lösung aus DE 10 2014 118 383 A1 dar. Das Immersionsmedium zwischen je zwei Freiformplatten wird durch ein festes optisches Material ersetzt und durch einen ebenen Schnitt in der Mitte dieses Materials wird ein schmaler Luftspalt erzeugt, der klein genug ist, um in erster Näherung optisch ohne Wirkung zu sein. Dadurch kann man an Stelle einer Flüssigkeit oder eines elastischen Optokittes nunmehr auch ein festes optisches transparentes Medium, wie beispielsweise ein zweites Glas oder ein Optopolymer, verwenden, das die in der DE 10 2014 118 383 A1 bereits beschriebene Achromasie-Bedingung hinsichtlich Brechzahl und Abbe-Zahl erfüllt. Auf diese Weise kann ein achromatischer Wellenfrontmanipulator, beispielsweise eine achromatische Variolinse, bereitgestellt werden, der aus zwei (verallgemeinert auch 3 oder mehr) nach außen hin planparallelen Komponenten mit Freiformflächen zwischen den optischen Elementen besteht, die in sich formstabil und besonders einfach zu fassen und zu beschichten sind.
Nachfolgend werden die Grundprinzipien zum Konstruieren der Freiformflächen 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, μm, mm, m) multipliziert werden. Hintergrund ist, dass die Geometrische Optik skaleninvariant ist, und im Gegensatz zur Wellenoptik nicht über eine natürliche Längeneinheit verfügt.
Die Koeffizienten zu in Verschieberichtung geraden Termen können, in Abweichung zur paraxialen Theorie, zur Korrektion parasitärer, durch den endlichen Abstand der Freiformprofile bewirkter Strahlversatzfehler, ebenfalls kleine von Null verschiedene Werte aufweisen. Jedoch sind optional die Koeffizienten zu ungeraden Termen senkrecht zur Schieberichtung stets Null.
In der einfachsten Ausführungsform der Erfindung werden genau zwei Elemente transversal zur optischen Systemachse verschoben (das eine Element um die Strecke Δy in +y, das andere gleichzeitig um die gleiche Strecke in -y Richtung, also beide gegenläufig und um gleiche Beträge). Die Freiformflächen der Elemente eines Wellenfrontmanipulators sind häufig identisch, so dass sich die beiden Freiformelemente in einer Nullposition exakt zu einer planparallelen Platte komplementär ergänzen. Zur Berücksichtigung nicht-paraxialer Effekte, die aufgrund der Abweichung der Einfallshöhe von Strahlen an der ersten und zweiten Freiformfläche wegen des endlichen Weges im Medium 2 auftreten, können sich die beiden Freiformflächenprofile ggf. aber auch gezielt geringfügig voneinander unterscheiden. Hierfür lässt sich aber nur schwer eine allgemeine technische Lehre angeben.
Eine reine Defokussierungswirkung lässt sich gemäß der Lehre von Alvarez bewirken, wenn die Freiformfläche der optischen Komponenten durch folgendes Polynom 3. Ordnung beschrieben wird:
Hierbei ist o.b.d.A. angenommen, dass die laterale Verschiebung der Elemente 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 dabei die Profiltiefe und legt auf diese Weise die erzielbare Brechkraftänderung pro Einheit des lateralen Verschiebewegs Δy fest.
Für parallel zur Achse einfallende Strahlbündel bewirkt die laterale Verschiebung der zwei Elemente um eine Strecke Δy eine Wellenfrontänderung gemäß der Gleichung:
Die Änderung des parabolischen Wellenfrontanteils entspricht einer Änderung der Fokuslage. Dazu kommt ein von der Pupillenkoordinate unabhängiger Phasenterm („Piston-Term“), der für die Abbildungseigenschaften meistens vernachlässigt werden kann. Exakt wirkt sich dieser Term dann gar nicht auf die Abbildungseigenschaften aus, wenn sich das Element im Unendlichstrahlengang befindet. Die Flächenbrechkraft einer entsprechenden Variolinse ist demnach durch folgende Formel gegeben: φ = 4 · k · Δn · Δy. Hierbei ist Δy der laterale Verschiebeweg einer optischen Komponente entlang der y-Richtung, k der Skalierungsfaktor der Profiltiefe und Δn = n1 — n2 die Differenz der Brechungsindices der Materialien, aus denen die optischen Komponenten gebildet sind (erstes und zweites optisches Element mit gemeinsamer Freiformfläche), bei der jeweiligen Wellenlänge.
In Verallgemeinerung dieser Lehre ist bekannt, dass zwei Freiformelemente auch zur Beeinflussung anderer Wellenfrontfehler ΔW(x,y) höherer Ordnung ausgelegt sein können. Bei einer exakt lateralen Relativbewegung der zwei Freiformelemente zueinander ist eine Wellenfrontänderung ΔW(x,y) genau dann bereitgestellt, wenn die Profilfunktion z(x,y) in der Richtung parallel zur Verschieberichtung proportional zur Stammfunktion der Funktion ΔW(x,y) und senkrecht zur Verschieberichtung proportional zur Funktion ΔW(x,y) selbst ausgebildet ist. Diese verallgemeinerte technische Lehre stellt insoweit allerdings nur eine Näherung für den Fall dar, in dem der Abstand zwischen den Freiformflächen gegen Null geht und die Aperturwinkelbelastung klein ist. Streng ist die Theorie also nur für den Grenzfall gültig, in dem auch die Freiformprofiltiefe gegen Null geht (thin element approximation, TEA), womit dann auch der Bereich der einstellbaren Brechkraftwirkung gegen Null gehen würde. In der Praxis ist diese Theorie als eine Näherung zu verwenden, die es erlaubt, analytische Ansatzsysteme aufzufinden, die anschließend mit numerischen Methoden weiter optimiert werden können. Der tatsächlich nutzbare Einstellbereich der so gefundenen Elemente ist dann viel größer als es die quasi-paraxiale Herleitung zunächst erscheinen lässt.
Die Bedingung für die Auswahl der optischen Materialien zur Bereitstellung eines Wellenfrontmanipulators in Form einer achromatischen Variolinse lässt sich folgendermaßen ableiten: Der erfindungsgemäße Wellefrontmanipulator (Variolinse) besteht aus mindestens zwei beschriebenen optischen Komponenten, die wiederum jeweils aus zwei optischen Elementen mit den Brechzahlen n1(λ) und n2(λ) zusammengesetzt sind. Fasst man die Brechkraft aller Teilelemente der Variolinse mit der Brechzahl n1(λ) als φ1 und die Brechkraft aller optischen Elemente mit Brechzahl n2 (λ) als φ2 zusammen, so gilt für diese beiden Teilbrechkräfte: bzw.
Hierbei ist k der frei wählbare Skalierungsfaktor der Freiformprofilfunktion, Δy der Verschiebeweg der optischen Komponenten und m bzw. n2 die Brechungsindizes der Materialien der beiden optischen Elemente bei einer mittleren Wellenlänge des betrachteten Spektralbereiches.
Die Bedingung für Achromasie für zwei eng zusammenstehende Linsen lautet generell: Durch Einsetzen lässt sich für die im Rahmen des erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulators verwendeten jeweils achromatischen optischen Komponenten also folgende Bedingung aufstellen
Natürlich kann aufgrund der nur beschränkten Auswahl an zur Verfügung stehenden optischen Materialien, insbesondere bei Berücksichtigung spezieller Anforderungen wie Alterungsbeständigkeit, thermische Ausdehnung etc., in der Praxis auch geringfügig von der obigen Bedingung abgewichen werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.
Als ein CHL-Manipulator wird ein Manipulator bezeichnet, mit dem der Farblängsfehler variabel eingestellt werden kann. Je größer der Unterschied in der Abbe-Zahl der Medien ausfällt, desto kleiner können die lateralen Verschiebewege und desto flacher können die Freiformprofile zur Erzielung einer vorgegebenen CHL-Wirkung des Elements ausfallen. Je geringer die Unterschiede im Brechungsindex der Medien ausfallen, desto geringer ändert sich die Fokuslage bei der mittleren Wellenlänge bei Einstellung einer vorgegebenen CHL. Geeignete Matenalkombinationen sind leicht zu finden und weit verbreitet, da die Dispersion optischer Polymere und Epoxidharze bei typischen Brechzahlen von Glas durchweg deutlich höher liegt als die von Glas. Es lassen sich aber auch leicht Kombinationen aus zwei Polymeren bzw. Epoxiden finden, die die Bedingung erfüllen. Insbesondere ist nach dem Stand der Technik bekannt, wie man optische Harze bzw. Optokitte durch geeignete Änderungen der chemischen Zusammensetzung in einem gewissen Bereich auf eine vorgegebene Brechzahl anpassen kann, ohne dass sich dadurch die Abbe-Zahl wesentlich verändert.
Mit einem erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator lässt sich bei geeigneter Wahl der optischen Medien ein Farblängsfehler CHL nicht nur gezielt auf Null setzen, sondern die optischen Elemente können auch so ausgebildet werden, dass gezielt definierte Beträge an CHL erzeugt werden. Bei einer beliebigen Abweichung von der Bedingung bzw. der Bedingung erzeugt eine seitliche Verschiebung der Freiformelemente nach Gleichung gleichzeitig eine Brechkraftänderung bei der mittleren Wellenlänge (also einen Defokus) und relativ dazu einen Farblängsfehler für die Rand- oder Nebenwellenlängen. Es gibt Anwendungsfälle, bei denen eine solche Überlagerung sinnvoll ist, etwa wenn der Defokus bei der mittleren Wellenlänge durch andere optische Mittel kompensiert werden kann. Im Allgemeinen ist jedoch eine klare Trennung zwischen einer Änderung einer mittleren Fokuslage und einer Änderung des Farblängsfehlers erwünscht. Der zuvor beschriebene Fall betrifft die Situation, dass der zu manipulierende Wellenfrontterm lediglich genau der Defokusterm ist. Es kann für jeden anderen Wellenfrontterm analog vorgegangen werden. So kann z.B. durch ein genau definiertes Abweichen von der Bedingung in Verbindung mit einem Profil der Form bei Auslenkung der Komponenten eine Änderung der sphärischen Aberration 3. Ordnung bei der Grundwellenlänge und gleichzeitig eine dazu in genau definiertem Verhältnis stehende chromatische (=wellenlängenabhängige) Variation der sphärischen Aberration 3. Ordnung bereitgestellt werden. Diese chromatische Änderung der sphärischen Aberration bezeichnet man auch als „Gaußfehler“, und er ist in vielen optischen Geräten ein ansonsten schwer zu kontrollierender Bildfehler.
Vorzugsweise weisen, wie oben bereits erwähnt, das erste optische Element und das zweite optische Element jeweils mindestens eine Freiformfläche auf. Dabei weisen das erste optische Element und das zweite optische Element vorzugsweise eine gemeinsame Kontaktfläche in Form einer Freiformfläche auf. Es handelt sich mit anderen Worten also um eine gemeinsame Begrenzungsfläche bzw. Fläche zwischen beiden optischen Elementen, so dass die Freiformflächen des ersten optischen Elements und des zweiten optischen Elements miteinander korrespondieren.
Die Freiformfläche kann dazu ausgelegt sein, eine Wellenfrontänderung ΔW(x,y) bei einer Grundwellenlänge zu erzeugen, indem die Freiform- Profilfunktion z(x,y) in Richtung der Bewegung der Elemente zueinander proportional zur Stammfunktion von ΔW(x,y) und senkrecht zur Bewegungsrichtung proportional zur Funktion ΔW(x,y) selbst ausgelegt ist, wobei x, y und z Koordinaten eines kartesischen Koordinatensystems sind und die z-Achse parallel zur Bezugsachse verläuft. Mit anderen Worten ist die Wellenfrontwirkung parallel zur Verschieberichtung proportional zur Ableitung der Profilfunktion.
Die Freiformfläche kann eine Form gemäß der Freiform-Profilfunktion aufweisen, wobei x, y und z Koordinaten eines kartesischen Koordinatensystems sind und die z-Achse parallel zur Bezugsachse verläuft. Eine solche Freiform-Profilfunktion würde vorwiegend die sphärische Aberration beeinflussen und könnte somit beispielsweise für Anwendungen im Bereich der Mikroskopie die bei Fokussierung in eine andere Probentiefe auftretende sphärische Aberration korrigieren helfen. Auch eine teilweise oder vollständige Ausgleichung der durch die Dickenänderung des Elements (Piston-Term) im konvergenten Strahlengang hervorgerufenen sphärischen Aberration kann auf diese Weise erfolgen. Zum Beispiel kann ein Wellenfrontmanipulator zur Beeinflussung des sogenannten Gaußfehlers, der chromatischen Variation der Sphärischen Aberration 3. Ordnung, durch zwei Freiformelemente mit einer Profilfunktion gemäß dem zuvor genannten Term bei gleichzeitiger Einhaltung der oben genannten Bedingungen |n1 — n2 ≤| N und |v1 — v2 | ≥ V für die optischen Materialien bereitgestellt werden.
Mehrere Strukturprofile können additiv überlagert sein, d.h. eine Struktur zur Änderung der Brechkraft und eine Struktur zur Änderung der sphärischen Aberration können überlagert sein, so dass eine entsprechender Wellenfrontmanipulator bei Verschiebung der optischen Komponenten gegeneinander eine Brechkraftwirkung variiert und gleichzeitig eine sphärische Aberration ändert, wobei beide Änderungen mit einem beliebig aber fest vorzuwählenden Proportionalitätsfaktor proportional zueinander sind. Auch in derartigen allgemeineren Anwendungsfällen lassen sich die oben dargelegten Regeln zur Wirkung einer entsprechenden Matenalauswahl gemäß Bedingung oder |n1 — n2 | ≤ N und |v1 — v2 | ≥
V sinngemäß anwenden.
Nach Lohmann (vgl. Appl. Opt. Vol. 9, No 7, (1970), p. 1669-1671 ) ist es möglich, eine zur Lehre von Alvarez weitgehend äquivalente Variolinse darzustellen, bei der zwei Freiformflächen beispielsweise in niedrigster Ordnung durch eine Gleichung der Form z(x,y)= A(x3+y3) beschrieben werden und die Relativbewegung der Elemente zueinander entlang einer unter 45° gegenüber der x- und y-Achse verlaufenden Geraden senkrecht zur optischen Systemachse erfolgt. Die Konstante A ist dabei wiederum eine freie Skalierungskonstante, die die maximale Profiltiefe der Freiformfläche und dadurch die Brechkraftänderung pro Weglänge beschreibt. Es handelt sich bei der Beschreibung nach Lohmann nicht um eine unabhängige Lösung, sondern im Wesentlichen nur um eine alternative Darstellung.
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 bei der Abbe-
Zahl vd des Materials mindestens 0,005, insbesondere mindestens 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 und der 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.
Vorteilhafter Weise umfasst mindestens eine, vorzugsweise zwei, der optischen Komponenten mindestens zwei optische Elemente 1 und 2, die eine relative Teildispersion Pλ1λ2,2 aufweisen, welche sich um weniger als einen festgelegten Grenzwert T unterscheiden (Pλ1λ2,1 — Pλ1λ2,2 <T). Bei dem festgelegten Grenzwert kann es sich um einen Wert von kleiner oder gleich 0,1 (T ≤ 0,1 ), insbesondere kleiner oder gleich 0,05 (T ≤ 0,05), zum Beispiel kleiner oder gleich 0,02 (T ≤ 0,02), handeln. Der Wellenfrontmanipulator kann auf diese Weise als apochromatischer Wellenfrontmanipulator ausgestaltet sein, also Farbfehler weitestgehend korrigieren. Bei einem Achromat bzw. Dichromat ist der Farblängsfehler zunächst für genau zwei Wellenlängen korrigiert. Den bei einer davon abweichenden dritten Wellenlänge verbleibenden Farblängsfehler nennt man das sekundäre Spektrum des Farblängsfehlers (bei dieser dritten Wellenlänge). Ist dieses dann ebenfalls korrigiert, spricht man von einem Apochromaten bzw. Trichromaten. Ein Aprochromat (oder „Trichromat“) erzeugt eine Wellenfrontdeformation Wa,λ(x,.y). bei welcher der sphärische
Anteil für drei voneinander verschiedene Wellenlängen übereinstimmt. Die Bedingung für einen Trichromaten ist, dass die relativen Teildispersionen der beiden Medien bei dieser dritten Wellenlänge übereinstimmen. Zwei Gläser können aber nur dann in der relativen Teildispersion übereinstimmen und sich gleichzeitig in der Abbe-Zahl unterscheiden (notwendig für die Dichromasie- Bedingung), wenn mindestens eines der beiden Gläser von einer Normalgeraden der relativen Teildispersion abweicht, also eine anomale relative Teildispersion aufweist. Derartige Gläser mit anomaler relativer Teildispersion werden je nach Vorzeichen der Abweichung der Teildispersion von der Normalgeraden auch als Langkron- oder Kurzflintgläser bezeichnet. In einer entsprechend vorteilhaften Variante kann mindestens eine, vorzugsweise zwei, der optischen Komponenten ein optisches Element aufweisen, welches eine anomale relative Teildispersion aufweist. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass der Wellenfrontmanipulator als apochromatischer Wellenfrontmanipulator zur Fokussierung verwendet werden kann.
Indem mindestens eines der beiden optischen Elemente aus einem Material mit anomaler Teildispersion, d.h. mit einer Abweichung von der Normalgeraden, verwendet wird, lässt sich auch eine Korrektion der sekundären Farbfehler bewirken. Hierzu könnten zunächst die bekannten mineralischen Gläser mit anormaler Teildispersion (wie etwa die Kurzflintsondergläser NKZFSxy oder die Fluoridionen enthaltenden Langkrongläser FKxy) verwendet werden. Andererseits ist bekannt, dass insbesondere einige Optokitte stark von der Normalgeraden abweichende Teildispersionen aufweisen (vgl. DE 102007 051 887 A1 ). Es lassen sich auch gezielt Optokitte durch Variation der chemischen Zusammensetzung so modifizieren, dass sie eine besonders große Abweichung von der Normalgeraden aufweisen können. Weiterhin ist aus D. Werdehausen et al., Optica Vol. 6 2019, pp. 1031 bekannt, dass Optokitte nach den Zusatz von sogenannten „ITO-Nanopartikeln“ (ITO = Indium Tin Oxyde) eine stark von der Normalgeraden abweichende Teildispersion aufweisen, wobei diese Abweichung durch die Konzentration der Nanopartikel auf gezielte Werte eingestellt werden kann. Ein erfindungsgemäß ausgelegter apochromatischer Wellenfrontmanipulator erfüllt daher die Bedingung mit den oben genannten Grenzwerten und zusätzlich die Bedingung, dass die relative Teildispersion der beiden Materialien der optischen Elemente zwischen den Wellenlängen λ1 und λ2, die durch die Gleichung definiert ist, sich um weniger als 10%, bevorzugt sogar weniger als 5% und insbesondere weniger als 2% unterscheidet:
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 möglich ist. Darüber hinaus lässt sich das Alvarez-Prinzip nutzbringend anwenden.
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. Vorzugsweise sind alle vorhandenen optischen Komponenten des Wellenfrontmanipulators als Platten, insbesondere planparallele Platten ausgestaltet. Dies hat den Vorteil, dass der Abstand zwischen den optischen Komponenten minimiert werden kann.
Die optischen Komponenten können relativ zueinander durch Translation in mindestens einer Richtung senkrecht zur optischen Achse, 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 optischen Achse (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. Solche gegeneinander verdrehbaren Elemente werden in der Offenlegungsschrift DE 10 2015 119 255 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 Wa,x(r, φ ) gegeben ist anstelle von Natürlich ist es auch denkbar, dass die beiden optischen Komponenten sowohl gegeneinander verschoben werden als auch gegeneinander verdreht werden. Der Wellenfrontmanipulator kann mindestens einen Sensor zum Erfassen einer Position und/oder einer Bewegung der optischen Komponenten relativ zueinander umfassen.
Mindestens ein optisches Element mindestens einer optischen Komponente kann Glas oder ein Optopolymer oder Kunststoff oder ein Monomer oder ein aushärtendes Material umfassen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein optisches Gerät zur Verfügung gestellt. Das erfindungsgemäße optische Gerät kann beispielsweise ein Objektiv, insbesondere ein Zoom-Objektiv, ein optisches Beobachtungsgerät wie etwa ein Mikroskop, insbesondere Operationsmikroskop, ein Teleskop, eine Kamera, 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. Der erfindungsgemäße Wellenfrontmanipulator kann mit einem Sensor ausgestattet sein, so dass die jeweilige Verschiebung Δy oder Verdrehung α bekannt ist. Dies ist insbesondere von Bedeutung, wenn das optische Gerät eine Messeinrichtung darstellt, beispielsweise einen farbkonfokalen Sensor.
Gemäß einem weiteren 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 Fokussierung, insbesondere zur Fokussierung in einem beliebigen optischen System (Fotoobjektiv, Mikroskopobjektiv etc.), und/oder einer stellungsabhängigen Korrektion wenigstens eines Wellenfrontfehlers in einem Zoomobjektiv oder einem Mikroskop, insbesondere einem Objektiv für ein Operationsmikroskop, für eine Anordnung für einen schnellen Z-Scan oder für eine dreidimensionale Bildstabilisierung herangezogen werden. Hierzu kann der Wellenfrontmanipulator insbesondere im Bereich eines (näherungsweise) kollimierten Strahlengangs des jeweiligen optischen Geräts 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 jeweiligen optischen Geräts kompensiert.
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 Strahlengang einer Ausgangsanordnung zur Entwicklung eines erfindungsgemäßen optischen Geräts. Fig. 3 zeigt die zu einer Ausgangsanordnung gehörigen Bildfehlerkurven zu einer Objektentfernung von -500mm.
Fig. 4 zeigt die zu der Ausgangsanordnung gehörigen Bildfehlerkurven zu einer Objektentfernung von -250mm.
Fig. 5 zeigt die zu der Ausgangsanordnung gehörigen Bildfehlerkurven zu einer Objektentfernung von -166.67mm.
Fig. 6 zeigt die zu der in der Figur 2 schematisch gezeigten Ausgangsanordnung zugehörigen Konstruktionsdaten.
Fig. 7-9 zeigen schematisch den Strahlengang einer Ausgangsanordnung zur Entwicklung eines erfindungsgemäßen optischen Geräts mit einer nicht-achromatisierten Alvarez-Linse nach dem Stand der Technik zur Fokussierung auf unterschiedliche Objektentfernungen.
Fig. 10 zeigt die zu Figur 7 gehörigen Bildfehlerkurven zu einer Objektentfernung von -500mm.
Fig. 11 zeigt die zu Figur 8 gehörigen Bildfehlerkurven zu einer
Objektentfernung von -250mm.
Fig. 12 zeigt die zu Figur 9 gehörigen Bildfehlerkurven zu einer
Objektentfernung von -166.67mm.
Fig. 13 zeigt die zu der in den Figuren 7-9 schematisch gezeigten Anordnung zugehörigen Konstruktionsdaten.
Fig. 14-16 zeigen schematisch den Strahlengang eines erfindungsgemäßen optischen Geräts mit einem erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator zur Fokussierung auf unterschiedliche Objektentfernungen. Fig. 17 zeigt die zu Figur 14 gehörigen Bildfehlerkurven zu einer Objektentfernung von -500mm.
Fig. 18 zeigt die zu Figur 15 gehörigen Bildfehlerkurven zu einer
Objektentfernung von -250mm.
Fig. 19 zeigt die zu Figur 16 gehörigen Bildfehlerkurven zu einer
Objektentfernung von -166.67mm.
Fig. 20 zeigt die zu der in den Figuren 14-16 schematisch gezeigten erfindungsgemäßen Anordnung zugehörigen
Konstruktionsdaten.
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 optischen Achse 9 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 mit einer Brechzahl m und einer Abbe-Zahl v1 und ein zweites optisches Element 5 mit einer Brechzahl n2 und einer Abbe-Zahl v1. Das erste optische Element 4 und das zweite optische Element 5 sind jeweils entlang der optischen Achse hintereinander angeordnet. Die Brechzahlen m und n2 und die Abbe-Zahlen v1 und v1 sind so gewählt, dass der Betrag der Differenz des Quotienten aus der Brechzahl m vermindert um 1 und der Abbe-Zahl v1 des ersten optischen Elements und des Quotienten aus der Brechzahl n2 vermindert um 1 und Abbe-Zahl v2 des zweiten optischen
Elements geringer ist als ein festgelegter Grenzwert
Vorzugsweise beträgt der Grenzwert G höchstens 0,01 .
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. 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 des Wellenfrontmanipulators 1 zueinander verringert wird und weniger Aberrationen entstehen. Insbesondere können die einander zugewandten Außenflächen 13 der jeweiligen optischen Komponente 2, 3 eine Krümmung aufweisen. In diesem Fall ist der Abstand der brechenden Flächen des Wellenfrontmanipulators 1 wiederum verringert, so dass weniger Aberrationen entstehen.
Im Folgenden wird als Beispiel eine erfindungsgemäß ausgelegte Lösung für eine achromatische Fokussieroptik beschrieben, welche Freiformflächen umfasst, deren Form allgemein durch eine Taylor-Polynomentwicklung beschrieben wird:
Hierbei bezeichnen x, y und z die drei kartesischen Koordinaten eines auf der Fläche liegenden Punktes im lokalen flächenbezogenen Koordinatensystem. Die Koeffizienten der Polynomentwicklung sind jeweils in den entsprechenden Zeilen bei zugehörigen Flächennummern angegeben, wobei die Polynom koeffizienten mit den Potenzen der zugehörigen Entwicklungstermen gekennzeichnet sind.
Es kommen ferner rotationssymmetrische asphärische Flächen vor, die durch folgende Gleichung definiert sind:
Die zugehörigen Koeffizienten k, A, B, C und D sind an den entsprechenden Flächen jeweils im Anschluss an den Scheitelradius angegeben. Da es mathematisch unendlich viele äquivalente Darstellungen derselben Flächen gibt, ist die Erfindung selbstverständlich nicht auf eine konkrete Flächendarstellung beschränkt.
Die Figur 2 zeigt schematisch den Strahlengang einer Ausgangsanordnung zur Entwicklung eines erfindungsgemäßen optischen Geräts. In dem in der Figur 2 gezeigten Beispiel ist ein erfindungsgemäßer Wellenfrontmanipulator 1 , also eine achromatische Variolinse, einer festbrennweitigen Gruppe oder Anordnung optischer Elemente 10, vorzugsweise in Form einer rotationssymmetrischen Optikgruppe, vorgeschaltet, um eine stufenlose Anpassung einer Fokussierung auf unterschiedliche Objektentfernungen zwischen S0=-5OOmm und S0=-167mm zu ermöglichen. Der Durchmesser der Aperturblende 11 beträgt 14mm. Der Strahlengang ist mit der Bezugsziffer 14 gekennzeichnet und der Fokus ist mit der Bezugsziffer 12 gekennzeichnet. Um die erfindungsgemäße Lehre anhand des Beispiels zu illustrieren, wird in drei Schritten vorgegangen: Zunächst wird eine für eine feste mittlere Objektentfernung von S0=-25Omm ausgelegte und für diese feste Objektentfernung nahezu fehlerfreie rotationssym metrische Optikgruppe angegeben. Es handelt sich hier um eine ähnliche, aber in den Parametern leicht modifizierte Ausgangsanordnung wie in DE 102014 118 383 A1 und DE 10 2011 055 777 B4.
Im zweiten Schritt wird zunächst eine nicht-achromatisierte Variolinse, wie sie nach dem Stand der Technik als bekannt anzusehen ist, zur Variation der System brechkraft und damit zur Anpassung auf die geänderte Objektschnittweite ergänzt. Das Resultat zeigt, dass ein unvermeidbarer Farblängsfehler in den ausgelenkten Stellungen des Manipulators auftritt.
Schließlich wird die neue erfindungsgemäße Lösung angegeben, mit der es gelingt, die chromatischen Bildfehler nahezu vollständig und über den gesamten Entfernungsbereich hinweg zu vermeiden.
Die für eine feste mittlere Objektentfernung von S0=-25Omm nahezu fehlerfrei abbildende Optik wird in dem Beispiel durch eine rotationssymmetrische Hybridoptik bereitgestellt. Diese besteht aus einer auf der Vorderseite asphärisch ausgebildeten Sammellinse 21 aus dem Material FK5 des Herstellers SCHOTT AG und einer damit verkitteten sphärischen Zerstreuungslinse 22 aus dem Material SF1 des Herstellers SCHOTT AG. Unter einer Asphäre wird eine Linse mit einer rotationssymmetrischen Oberfläche verstanden, deren Oberfläche Oberflächenbereiche mit voneinander abweichenden Krümmungsradien aufweisen kann. Die Zerstreuungslinse 22 ist auf der Rückseite 23 mit einer DOE-Struktur, also einer Anzahl an diffraktiven optischen Elementen, versehen. Um die Glaswege der später benötigten Elemente der Variolinse zu berücksichtigen, sind planparallele Glasplatten aus den gleichen Materialarten vorgesehen, aus dem später die Variolinse gebildet wird. Dieser Teil des Systems dient hier dazu, eine quasi ideal korrigierte festbrennweitige Optik zu simulieren, die natürlich in praktischen Anwendungen auch durch ganz anders aufgebaute mehrlinsige Objektive gebildet sein kann. Die festbrennweitige Gruppe ist im Beispiel so ausgelegt, dass sie ein Objekt, das sich 250mm vor dem Scheitel der am weitesten links liegenden Glasfläche (linke Glasplatte bzw. erste optische Komponente 2) befindet, auf eine Bildebene in 50mm Entfernung vom letzten rechts liegenden Linsenscheitel abbildet. Als Anwendungsfall für das hier beschriebene Beispiel eignet sich ein Objektiv für ein Operationsmikroskop.
Aus Gründen der klareren Darstellung des wesentlichen Gedankens der Erfindung ist das vorliegende Beispiel auf idealisierte Randbedingungen (nur ein Feldpunkt) beschränkt, da andernfalls die zu demonstrierende technische Lehre wegen der vielen zu treffenden Bildfehlerkompromisse nur unnötig verkompliziert würde. Figur 2 zeigt dieses Grundoptiksystem, das in den Systemen zu Schritt 2 und 3 unverändert vorkommt.
Die Figuren 3 bis 5 zeigen die zugehörigen Bildfehlerkurven (Queraberrationen) zu den drei Objektentfernungen -500mm (Figur 3), - 250mm (Figur 4) und -166.67mm (Figur 5). Die vertikale Achse entspricht den geometrisch-optischen Queraberrationen in der Empfängerebene in Millimetern und reicht bis ±0.05mm. Die horizontale Achse entspricht der relativen, auf Werte von -1 bis +1 normierten Pupillenkoordinate des Durchstoßpunktes der Strahlen durch die Ebene der Aperturblende. Die Kurven 31 beziehen sich auf eine Wellenlänge von 656 nm, die Kurven 32 auf eine Wellenlänge von 546 nm und die Kurven 33 auf eine Wellenlänge von 435 nm. Es ist deutlich erkennbar, dass für die Objektentfernung -250mm (Figur 4), für die das Grundoptiksystem 10 ausgelegt ist, eine praktisch restfehlerfreie, beugungsbegrenzte Optik vorliegt, und dass für die übrigen Objektentfernungen der erwartbare Fokusfehler auftritt. In den Abbildungen liegen die entsprechenden Kurven 31 , 32 und 33 für die drei beispielhaft verwendeten Wellenlängen 656nm, 546nm und 435nm übereinander, da die Grundoptik 10 mit dem DOE für die vorgegebene Objektentfernung chromatisch nahezu perfekt korrigiert. In der nachfolgenden Tabelle 1 sind die Konstruktionsgrunddaten der in der Figur 2 gezeigten Ausgangsanordnung angegeben. Die Flächen 1 bis 10 bezeichnen die einzelnen Oberflächen der Linsen und der optischen Elemente in der Figur 2 von links nach rechts. Die Fläche 1 entspricht also der Außenoberfläche 7 der ersten optischen Komponente 2 und die Fläche 10 der rückseitigen Oberfläche 23 der sphärischen Zerstreuungslinse 22.
Tabellen Die Fläche 8 ist eine Asphäre mit den Koeffizienten A= -0,116309E-04, B= - 0,246389E-07, C= -0,511441 E-10 und D= 0,194977E-12 gemäß der oben bereits angeführten Formel:
Die Fläche 10 umfasst ein diffraktives optisches Element, welches für eine Konstruktionswellenlänge von 546,00 nm in +1 -ten Beugungsordnung verwendet wird. Das diffraktive optische Element weist ein rotationssymmetrisches polynomiales Gitter mit den Termen C1 *r2 und C2*r4 sowie den Koeffizienten C1 =-1 ,9089E-04 und C2=5,4604E-07 auf. Das Gitter ist als ideales Blaze-Gitter ausgestaltet ist (100% des Lichts wird für alle Wellenlängen in eine spezifische Beugungsordnung gebeugt).
In der Figur 6 sind die zugehörigen Konstruktionsdaten des Ausführungsbeispiels in der Nomenklatur des Optik-Designprogramm CodeV der Firma Synopsys angegeben.
In Schritt 2 ist in den Figuren 7 bis 9 an Stelle der planparallelen Glasplatten vor dem Grundoptiksystem 10 eine nicht-achromatisierte Alvarez-Linse nach dem Stand der Technik zur Fokussierung auf unterschiedliche Objektentfernungen gezeigt, die im Beispiel S0 = -500mm (Figur 7), S0 = - 250mm (Figur 8), und S0 = -166.67 mm (Figur 9) betragen. In den Figuren 7 bis 9 ist die Optik in den 3 Stellungen in einer Schnittansicht gezeigt: Die beiden Elemente 2 und 3, die jeweils auf der Innenseite eine Freiformfläche 26 tragen, werden lateral gegenläufig zueinander bewegt, so dass sich im Innenbereich eine variable Luftlinse ergibt (Prinzip der Variolinse nach Alvarez). Dabei entsprechen die 3 Stellungen den drei genannten Objektentfernungen S0. Die Lage der Bildebene relativ zur festbrennweitigen Gruppe bleibt konstant (50mm freie Schnittweite). In dem Beispiel werden auch höhere Ordnungen der Alvarez-Freiformfläche genutzt, um die sphärische Aberration bei geänderter Objektschnittweite entsprechend mit anpassen zu können. Die DOEs des Grundoptiksystems werden jeweils in der +1. Beugungsordnung betrieben. Die Verschiebewege des ersten lateral bewegten Freiformelements betragen in den 3 Stellungen +2.0 mm (Figur 7), 0.0 mm (Figur 8), -2.0 mm (Figur 9). Das zweite Element verschiebt sich dabei jeweils um gleiche Beträge in entgegengesetzter Richtung.
Die Figuren 10 bis 12 zeigen die zugehörigen Bildfehlerkurven zu den drei Objektentfernungen -500mm (Figur 7), -250mm (Figur 8) und -166.67mm (Figur 9). In der nachfolgenden Tabelle 2 sind die Konstruktionsgrunddaten der in den Figuren 7 bis 9 schematisch gezeigten, gemäß Schritt 2 weiterentwickelten Anordnung angegeben. Die Flächen 1 bis 14 bezeichnen die einzelnen Oberflächen der Linsen und der optischen Elemente in den Figuren 7 bis 9 von links nach rechts. Dabei entsprechen die Flächen 12 bis 14 den Flächen 8 bis
10 der Figur 2 bzw. Tabelle 1 .
Tabelle 2:
Die Flächen 1 und 9 weisen eine Dezentrierung in y-Richtung von 1 ,966888 auf. Die Flächen 4 und 6 weisen eine Dezentrierung in y-Richtung von - 1 ,966888 auf. Die Flächen 3 und 7 sind Freiformflächen mit den Koeffizienten C0,1=1 ,1469E-O2, C2,1=-3,0928E-04, C0,3=-1 ,0310E-04, C4,1=4,6548E-09, C2,3=3,0196E-09 und C0,5=9,2867E-1O der Taylor-Polynomentwicklung: Die Fläche 12 ist eine Asphäre mit den Koeffizienten A= -0,116309E-04, B= - 0,246389E-07, C= -0,511441 E-10 und D= 0,194977E-12 gemäß der oben bereits angeführten Formel:
Die Fläche 14 umfasst ein diffraktives optisches Element, welches für eine Konstruktionswellenlänge von 546,00 nm in +1-ten Beugungsordnung verwendet wird. Das diffraktive optische Element weist ein rotationssymmetrisches polynomiales Gitter mit den Termen C1*r2 und C2*r4 sowie den Koeffizienten C1 =-1 ,9089E-04 und C2=5,4604E-07 auf. Das Gitter ist als ideales Blaze-Gitter ausgestaltet ist (100% des Lichts wird für alle Wellenlängen in eine spezifische Beugungsordnung gebeugt).
In der Figur 13 sind die zugehörigen Konstruktionsdaten des Ausführungsbeispiels in der Nomenklatur des Optik-Designprogramm CodeV der Firma Synopsys angegeben.
Nunmehr wird in Schritt 3 eine erfindungsgemäße Ausführung der achromatischen Variolinse mit zwei lateral zueinander bewegten optischen Komponenten 2 und 3 gezeigt. Die Figuren 14, 15 und 16 zeigen schematisch den Strahlengang eines erfindungsgemäßen optischen Geräts 20 mit einem erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator 1 zur Fokussierung auf unterschiedliche Objektentfernungen. Die Lage der Bildebene ist dabei wiederum konstant und unverändert gegenüber dem Beispiel im vorigen Schritt.
In der nachfolgenden Tabelle 3 sind die Konstruktionsgrunddaten der in den Figuren 14 bis 16 schematisch gezeigten, gemäß Schritt 3 weiterentwickelten Anordnung angegeben. Die Flächen 1 bis 16 bezeichnen die einzelnen Oberflächen der Linsen und der optischen Elemente in den Figuren 14 bis 16 von links nach rechts. Dabei entsprechen die Flächen 14 bis 16 den Flächen 8 bis 10 der Figur 2 bzw. Tabelle 1 .
Tabelle 3: Die Flächen 1 und 11 weisen eine Dezentrierung in y-Richtung von 2,000000 auf. Die Flächen 5 und 7 weisen eine Dezentrierung in y-Richtung von - 2,000000 auf. Die Flächen 3 und 9 sind Freiformflächen mit den Koeffizienten C0,1=2,O348E-O2, C1,0=-1 ,6460E-02, C0,2=-1 ,4682E-03, C2,1=-1 ,1335E-03, C0,3=-3,751 7E-O4, C4,0=4,2694E-O6, C2,2=-1 ,2405E-06, C0,4=-4,2758E-O7, C4,1 =-6,6939E-08, C2,3=-2,3783E-08 und C0,5=-1 ,4727E-09 der Taylor-
Polynomentwicklung: In der Figur 20 sind die zugehörigen Konstruktionsdaten des Ausführungsbeispiels in der Nomenklatur des Optik-Designprogramm CodeV der Firma Synopsys angegeben.
Die Figuren 17 bis 19 zeigen die zugehörigen Bildfehlerkurven zu den drei Objektentfernungen -500mm (Figur 14), -250mm (Figur 15) und -166.67mm (Figur 16). An den Figuren 17 bis 19 erkennt man am Verlauf der gezeigten Queraberrationskurven für die verschiedenen Wellenlängen, dass der Farblängsfehler CHL nunmehr korrigiert ist, was genau das Ziel des verwendeten erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulators in diesem Ausführungsbeispiel ist.
Die optischen Medien der ersten optischen Elemente 4 und der zweiten optischen Elemente 5 (Freiformteilelemente) erfüllen hierbei in sehr guter Näherung die Bedingungsgleichung bzw. die Ungleichung Als Material des ersten optischen Elements 4 ist die 1 2
Glasart PLASF47 des Herstellers Schott AG verwendet. Dessen Brechzahl beträgt bei 546nm Wellenlänge n1 =1 ,81078 und die Abbe-Zahl beträgt v1=40,7. Als Material des zweiten optischen Elements 5 ist Polycarbonat verwendet, ein hervorragend transparentes und für die Spritzgussherstellung optischer Komponenten allgemein gebräuchliches Optopolymer. Dessen Brechzahl beträgt bei 546nm Wellenlänge n2=1 ,59, die Abbe-Zahl beträgt v2=29,9.
Die erfindungsgemäß einzuhaltende Bedingung für die Materialauswahl ist daher mit den obigen Angaben sehr gut erfüllt. Die Verschiebewege der ersten lateral bewegten optischen Komponente 2 betragen in den drei Stellungen wiederum +2.0 mm (Figur 14), 0.0 mm (Figur 15), -2.0 mm (Figur 16). Die zweite optische Komponente 3 verschiebt sich dabei jeweils um gleiche Beträge in entgegengesetzter Richtung.
In dem Beispiel werden wiederum auch höhere Ordnungen der Alvarez- Freiformfläche 6, 26 genutzt. Dies geschieht einerseits, um die sphärische Aberration bei geänderter Objektschnittweite entsprechend korrigieren zu können, und andererseits werden andere Koeffizienten des Freiformprofils zur Minimierung der maximalen Profiltiefe ausgenutzt. Es ergeben sich dadurch flachere Teilelemente und die optisch wirksamen Freiform-Grenzflächen 26 können einen kleineren Abstand zueinander bekommen, ohne bei der Auslenkung zu kollidieren. Ein kleinerer Abstand zwischen den Freiform- Grenzflächen 26 hilft dabei, die aus dem nicht mit der paraxialen Betrachtung der TEA übereinstimmenden Strahlversatz resultierenden Bildfehler klein zu halten.

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) in einer Ebene 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) mit mindestens einer Freiformfläche (6, 26), einer Brechzahl m und einer Abbe-Zahl v1 und ein zweites optisches Element (5) mit mindestens einer Freiformfläche (6, 26), einer Brechzahl n2 und einer Abbe-Zahl v2 umfasst, welche entlang der Bezugsachse (9) hintereinander angeordnet sind, wobei sich die Abbe-Zahlen v1 und v2 voneinander unterscheiden
2. Wellenfrontmanipulator (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Betrag der Differenz des Quotienten aus der Brechzahl m vermindert um 1 und der Abbe-Zahl v1 des ersten optischen Elements (4) und des Quotienten aus der Brechzahl n2 vermindert um 1 und der Abbe-Zahl v2 des zweiten optischen Elements (5) geringer ist als ein festgelegter Grenzwert G:
3. Wellenfrontmanipulator (1 ) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzwert G höchstens 0,01 beträgt.
4. Wellenfrontmanipulator (1 ) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzwert G höchstens 0,005 beträgt.
5. Wellenfrontmanipulator (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Betrag der Differenz der Abbe-Zahl des ersten optischen Elements v1 und der Abbe-Zahl des zweiten optischen Elements v2 einen festgelegten Grenzwert V nicht unterschreitet
6. Wellenfrontmanipulator (1 ) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzwert des Betrags der Differenz der Abbe-Zahlen V mindestens 5 beträgt.
7. Wellenfrontmanipulator (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrag der Differenz der Brechzahlen des ersten optischen Elements m und des zweiten optischen Elements n2 einen festgelegten Grenzwert N nicht überschreitet
8. Wellenfrontmanipulator (1 ) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzwert des Betrags der Differenz der Brechzahlen N höchstens 0,05 beträgt.
9. Wellenfrontmanipulator (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das erste optische Element (4) und das zweite optische Element (5) eine gemeinsame Kontaktfläche (6) in der Form einer Freiformfläche aufweisen.
10. Wellenfrontmanipulator (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Freiformfläche (6, 26) dazu ausgelegt ist, eine Wellenfrontänderung ΔW(x,y) bei einer Grundwellenlänge zu erzeugen, indem die Freiform- Profilfunktion z(x,y) in Richtung der Bewegung der Elemente zueinander proportional zur Stammfunktion von ΔW(x,y) und senkrecht zur Bewegungsrichtung proportional zur Funktion ΔW(x,y) selbst ausgelegt ist, wobei x, y und z Koordinaten eines kartesischen Koordinatensystems sind und die z-Achse parallel zur Bezugsachse verläuft.
11. Wellenfrontmanipulator (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei optischen Komponenten (2, 3) in Bezug auf ihre optischen Merkmale baugleich ausgestaltet sind.
12. Wellenfrontmanipulator (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der optischen Komponenten (2, 3) mindestens eine plane Außenoberfläche (7), welche sich senkrecht zur Bezugsachse (9) erstreckt, aufweist.
13. Wellenfrontmanipulator (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Komponenten (2, 3) relativ zueinander durch Translation in mindestens einer Richtung senkrecht zur optischen Achse (9) und/oder durch Rotation um eine parallel zur Bezugsachse (9) verlaufende Achse bewegbar angeordnet sind.
14. Wellenfrontmanipulator (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenfrontmanipulator (1 ) mindestens einen Sensor zum Erfassen einer Position und/oder einer Bewegung der optischen Komponenten (2, 3) relativ zueinander umfasst.
15. Wellenfrontmanipulator (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das erste optische Element (4) und das zweite optische Element (5) aus einem festen, optisch transparenten Material bestehen.
16. Wellenfrontmanipulator (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, 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 T unterscheiden.
17. Wellenfrontmanipulator (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der optischen Komponenten (2, 3) mindestens ein optisches Element (4, 5) umfasst, welches eine anomale relative Teildispersion aufweist.
18. Wellenfrontmanipulator (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein optisches Element (4, 5) mindestens einer optischen Komponente (2, 3) Glas oder ein Optopolymer oder Kunststoff oder ein Monomer oder ein aushärtendes Material umfasst.
19. Optisches Gerät (20), welches einen Wellenfrontmanipulator (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche umfasst.
20. Verwendung wenigstens eines Wellenfrontmanipulators (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 18 zum Bewirken einer einstellbaren Änderung einer Wellenfront und/oder zum Herbeiführen wenigstens einer der Gruppe der folgenden Korrektionen bzw. Reduktionen: Koma, Astigmatismus, dichromatische Korrektion, trichromatische Korrektion, Reduktion des sekundären Spektrums, Reduktion des tertiären Spektrums und/oder zum Herbeiführen einer Fokussierung und/oder einer stellungsabhängigen Korrektion wenigstens eines Wellenfrontfehlers in einem Zoom-Objektiv oder einem Mikroskop, für eine Anordnung für einen schnellen Z-Scan oder für eine dreidimensionale Bildstabilisierung. Bezugszeichenliste:
1 Wellenfrontmanipulator
2 erste optische Komponente
3 zweite optische Komponente
4 erstes optisches Element
5 zweites optisches Element
6 Kontaktfläche
7 plane Außenoberfläche
8 Mittelachse
9 optische Achse
10 Anordnung optischer Elemente, z.B. rotationssym metrisches Objektiv
11 Blende
12 Fokus
13 Außenfläche
14 Strahlengang
20 optisches Gerät
21 asphärische Sammellinse
22 sphärische Zerstreuungslinse
23 Rückseite
26 Freiformfläche
32 Queraberration zu einer Wellenlänge von 546 nm
31 Queraberration zu einer Wellenlänge von 656 nm
33 Queraberration zu einer Wellenlänge von 435 nm
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