DE19964079C1 - Maksutov-Cassegrain-System kurzer Baulänge - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Spiegellinsenobjektiv (1) vom Maksutov-Cassegrain-Typ, in Lichtrichtung, umfassend einen zum Objektiv hin konkaven divergenten Maksutov-Meniskus (4), einen sphärischen Hauptspiegel (2) und einen sphärischen Fangspiegel (3), wobei in Lichtrichtung hinter dem Fangspiegel (3) ein dioptrisches System in Form eines Teleobjektivs mit negativer Äquivalentbrennweite angeordnet ist, wobei das dioptrische System eine Sammellinse (5) und eine nachfolgende Zerstreuungslinse (6) umfaßt, die beide in einem gegenseitigen Abstand von mindestens 0,04 f zueinander angeordnet sind, wobei das dioptrische System in seiner Gesamtheit in dem freien Raum zwischen Hauptspiegel (2) und Fangspiegel (3) steht und f die Brennweite des Spiegellinsenobjektivs (1) darstellt.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein kurzgebautes, langbrennweitiges Spiegellinsenobjektiv hoher Auflösung vom Maksutov-Cassegrain-Typ.

Objektive dieser Art sind dadurch gekennzeichnet, daß sie einen sphärischen Hauptspiegel verwenden und die Korrektion der sphärischen Aberration durch einen wenig negative Brechkraft aufweisenden frontal angeordneten Meniskus erfolgt. Die Koma ist bei einer solchen Anordnung theoretisch dadurch beseitigt, daß der Hauptpunkt dieses sphärischen Korrektionselements nahe dem Krümmungsmittelpunkt der Hauptspiegels liegt. Prinzipiell gibt es danach zwei Anordnungen des sogenannten Maksutov-Meniskus, nämlich mit der konvexen Fläche zum Objekt oder mit der konkaven Fläche zum Objekt, wobei die letztere Anordnung wegen der wesentlichen kürzeren Baugröße hier nur in Betracht zu ziehen ist. Für ein Objektiv geringer Masse muß dieser Meniskus relativ dünn gehalten werden.

Weiterhin weisen die betrachteten Systeme eine cassegrainsche Bauweise auf, d. h. der Primär- oder Hauptspiegel ist konkav, und der Sekundär- oder Fangspiegel ist konvex, was einem Aufbau gemäß einem Teleobjektiv entspricht und zu einer kurzen Bauweise führt. Je stärker die Brechkräfte von Primär- und Sekundärspiegel sind, desto kleiner kann prinzipiell die Baugröße gehalten werden.

Eine Verkleinerung der Baugröße auf diese Weise ist jedoch nur begrenzt möglich. Eine Erhöhung der Brechkraft des Primärspiegels führt zwangsläufig zu einer größeren sphärischen Aberration, deren Korrektion mittels eines stärker durchgebogenen Maksutov-Meniskus zu inakzeptabel hohen sphärischen Zonenfehlern führt. Andererseits bewirkt eine Erhöhung der Brechkraft des Sekundärspiegels eine radikale Verschlechterung der Petzvalkrümmung, die nur durch ein stark divergentes dioptrisches Element zwischen Sekundärspiegel und Bildebene kompensiert werden kann.

Ein derartiges System mit der numerischen Apertur nA = 0.05 (entspricht einer relativen Öffnung 1 : 10) ist z. B. bei "Smith, Warren J.: Modern Lens Design, McGraw-Hill 1992, ISBN 0-07-059178-4 p. 300" angegeben. Dieses Objektiv hat einen axialen Abstand vom Primär- zum Sekundärspiegel von 0.158f und eine axiale Gesamtbaulänge bis zur Bildebene von 0,206f, wobei f die Brennweite ist. Seitens der Baugröße würde dieses System die Anforderungen erfüllen. Es hat jedoch den Mangel, daß sowohl die sphärischen Zonenfehler als auch die chromatischen Bildfehler entscheidend zu groß sind, um bei einer Ausführungsbrennweite von f = 1000 mm eine quasi-beugungsbegrenzte Auflösung in einem großen Spektralbereich zu erreichen. Der dünne Maksutov-Meniskus ist stark durchgebogen und hat einen vorderen Krümmungsradius von -0.118f. Die numerische Apertur ist zu gering und erlaubt keine Erhöhung.

Ein weiteres System mit zwei bildseitigen Korrektionslinsen aus Gläsern verschiedener Dispersion zur Beseitigung der chromatischen Aberrationen ist bei "Laikin, Milton: Lens Design, Marcel Dekker 1995, ISBN 0-8247-9602-0, p. 178" angegeben. Dieses eignet sich für Ausführungsbrennweiten in der Größenordnung von 1000 mm, hat jedoch nur eine bildseitige Apertur von 0.045 und eine deutlich größere Gesamtbaulänge von 0,283f. Auch hier ist der Maksutov-Meniskus noch relativ stark durchgebogen mit einem frontalen Krümmungsradius von -0.131f.

Eine Analyse des Maksutov-Cassegrain-Aufbaus hat ergeben, daß zur Verringerung der sphärischen Zonenfehler es unbedingt erforderlich ist, die Brechkräfte von Primär- und Sekundärspiegel und somit die Durchbiegung des Maksutov-Meniskus möglichst gering zu halten. Diese Maßnahme führt zwangsläufig zu einer unerwünschten Verkleinerung des Televerhältnisses und damit zu einer brennweitenbezogenen Vergrößerung der Baulänge. Ziel ist es, bei einer vorgegebenen Gesamtbaulänge (axiale Entfernung zwischen dem ersten Linsenscheitel und der Bildebene) von maximal 0.25f und bei einer numerischen Apertur nA = 0.05 bis 0.063 die sphärischen Zonenfehler innerhalb der zulässigen Rayleigh-Toleranz zu halten und damit eine Strehl-Definition von über 80% zu erreichen.

Aus der DE-OS-27 20 479 ist ein katadioptrisches Objektiv bekannt, gekennzeichnet durch eine asphärische, negative Meniskus-Korrekturplatte, die zum langen konjugierten Ende hin konkav ist, einen primären Mangin- Spiegel in einem Abstand von der Korrekturplatte zur Aufnahme des durch letztere hindurchtretenden Lichtes, einen Sekundärspiegel in der Form eines spiegelnden Bereichs am Zentrum der zweiten Fläche der Korrekturplatte zur Aufnahme des von dem Primärspiegel reflektierten Lichtes und ein im Abstand angeordnetes Paar von Korrekturlinsen, das zwischen dem Primär- und dem Sekundärspiegel zur Aufnahme des von letzterem kommenden Lichtes angeordnet sind und das über eine positive, dem aufgenommenen Licht gegenüber konvexe Meniskuslinse und eine bikonkave Linse verfügt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Maksutov-Cassegrain-System kurzer Baulänge und geringem Gewicht für einen großen Spektralbereich von 400 bis 900 nm zu schaffen, welches bei einer numerischen Apertur nA < 0.05 (entsprechend einer relativen Öffnung 1 : 10) bis 0,63 (entsprechend einer relativen Öffnung 1 : 8) eine quasi beugungsbegrenzte Auflösung gewährleistet.

Die Lösung des Problems ergibt sich durch den Gegenstand mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Hierzu wird ein Maksutov-Cassegrain-System herkömmlicher Bauart verwendet, wobei hinter dem Sekundärspiegel ein zweilinsiges dioptrisches System in Form eines Teleobjektivs, bestehend aus einer Sammellinse und einer nachfolgenden Zerstreuungslinse angeordnet ist, die beide in einem gegenseitigen Abstand von mindestens 0,04f stehen, wodurch die Wirkung eines Teleskops erreicht wird, d. h. das dioptrische System wirkt zusätzlich brennweitenverlängernd, was einer auf die Brennweite bezogenen Baulängenverkürzung gleichkommt.

Die spezifische Wirkung dieses zusätzlichen dioptrischen Systems ist naturgemäß um so günstiger, je höher es im Strahlengang steht, d. h. wenn es mit seiner Sammellinse möglichst nahe dem Sekundärspiegel steht und damit in seiner Gesamtheit in dem freien Raum zwischen Sekundär- und Primärspiegel angeordnet ist.

Eine Analyse der bisher bekannten Systeme hat ergeben, daß es unter Berücksichtigung eines geringen Gewichts und einer stabilen Abbildungsqualität von der Praxis her vorteilhaft ist, den Maksutov-Meniskus so auszubilden, daß dessen konvexe Fläche mit ihrem zentralen Teil gleichzeitig den Fangspiegel bildet. Damit kann auf eine zusätzliche Halterung für den Sekundärspiegel verzichtet werden.

Für extreme Anforderungen hinsichtlich Massereduktion indes ist es vorteilhaft, bei Erhaltung der Gesamtbaulänge den masseintensiven Tubus zwischen Maksutov-Meniskus und Primärspiegel, d. h. entsprechend den Abstand zwischen Primär- und Sekundärspiegel zu verkürzen auf einen Betrag um 0.15f oder kleiner. Eine solche Maßnahme erfordert eine Erhöhung der Brechkraft des Primärspiegels und höhere Teilbrechkräfte für die Elemente des dioptrischen Teils, was bezüglich der Bildfehlerkorrektur zu einer Überkompensation der Petzvalsumme führt. Diese kann durch eine sammelnd wirkende Linse dicht vor dem Bildfeld (Bildfeldlinse ähnlich der Smyth-Linse) behoben werden. Eine solche Linse bewirkt im wesentlichen nur eine Änderung der Petzvalwölbung, ihre Wirkung auf die anderen Bildfehler wie sphärische Aberration und Koma ist zu vernachlässigen.

Für einige Anwendungen, insbesondere wenn auswechselbare optische Filter vor der Bildebene eingefügt werden sollen, ist eine längere bildseitige Schnittweite von wenigstens 0.015f wünschenswert. Um in solchen Fällen laterale chromatische Aberrationen, die durch eine einzelne Bildfeldlinse bei einer größeren bildseitigen Schnittweite zwangsläufig auftreten ist die Bildfeldlinse als Achromat ausgebildet.

Bei einer Brechkraft der Sammellinse von 5ϕ bis 8ϕ und derjenigen der Zerstreuungslinse entsprechend von -12ϕ bis -30ϕ (wobei ϕ die Brechkraft des Gesamtsystems bedeutet) sowie einem gegenseitigem Abstand der beiden Linsen voneinander zwischen 0.04f und 0.06f (wobei sinnvollerweise der kleinere Abstand bei betragsmäßig hohen Teilbrechkräften und entsprechend der größere Abstand bei betragsmäßig kleineren Teilbrechkräften der Linsen in Betracht zu ziehen ist) hat ein derartiges dioptrisches Korrektursystem einen großen negativen Hauptpunktabstand und eine negative Brennweite und bewirkt demgemäß die beschriebene Baulängenverkürzung bei gleichzeitiger zusätzlicher Verlängerung der Brennweite. Als Resultat ergibt sich eine brechkraftmäßige Entspannung für die Spiegelbrechkräfte und folglich eine geringere Durchbiegung des Maksutov-Meniskus.

Eine besonders vorteilhafte Lösung erhält man bei einem Abstand zwischen Primär- und Sekundärspiegel in der Größenordnung von 0.20f.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die Figur zeigen:

Fig. 1 ein Spiegellinsensystem vom Maksutov-Cassegrain-Typ mit einem dioptrischen System,

Fig. 2 ein Spiegellinsensystem mit einer Bildebenungslinse und

Fig. 3 ein Spiegellinsensystem mit einer als Achromat ausgebildeten Bildebenungslinse.

Das Spiegellinsensystem 1 umfaßt Hauptspiegel 2, einen Fangspiegel 3, einen Maksutov-Meniskus 4, eine Sammellinse 5 und eine Zerstreuungslinse 6.

Dabei bildet die konvexe Fläche des Maksutov-Meniskus 4 in der optischen Achse gleichzeitig den Fangspiegel 3. In der Tabelle 1 ist eine beispielhafte Dimensionierung für das Spiegellinsensystem 1 angegeben. Die Brennweite des Spiegellinsensystems 1 sei f = 1000 mm mit einer numerischen Apertur nA = 0,063 und einem Bildfeld von ca 1,2°. In der Tabelle 1 sind die geometrischen und optischen Größen für die einzelnen Bestandteile in der Reihenfolge des Strahlengangs dargestellt. Somit bezeichnet r₁ den konkaven Radius des Maksutov-Meniskus 4. An der optischen Achse weist der Maksutov-Meniskus 4 eine Dicke d₁ = 11 mm auf. Der Radius r₂ bezeichnet den Radius des Maksutov-Meniskus 4 an seiner konvexen Seite. Nach Durchtritt durch den Maksutov-Meniskus 4 trifft die Strahlung auf den Hauptspiegel 2, der in einer Entfernung e₁ = 198 mm vom Maksutov-Meniskus 4 angeordnet ist und einen inneren Radius von r₃ = -527,35 mm aufweist.

Vom Hauptspiegel 2 wird die Strahlung zum Fangspiegel 3 reflektiert. Die Entfernung zwischen Hauptspiegel 2 und Fangspiegel 3 wird mit e₂ bezeichnet. Da der Fangspiegel 3 mit dem konvexen Teil des Maksutov-Meniskus 4 identisch ist, sind die Abstände e₁ und e₂ betragsmäßig gleich groß. Ebenso ist der Radius r₄ des Fangspiegels 3 identisch mit Radius r₂ des Maksutov- Meniskus. Vom Fangspiegel 3 wird die Strahlung zur Sammellinse 5 reflektiert, die in einem Abstand e₃ = 92 mm zum Fangspiegel angeordnet ist. Die Sammellinse 5 weist auf der konvexen Seite einen Radius r₅ = 64,12 mm auf. Die Dicke der Sammellinse 5 beträgt d₂ = 3,5mm. Der konkave Teil der Sammellinse 5 weist einen Radius r₆ = 172,92 mm auf. Von der Sammellinse 5 trifft die Strahlung auf die Zerstreuungslinse 6, die in einem Abstand e₄ = 54,95 mm angeordnet ist. Der konvexe Radius r₇ beträgt 137,30 mm, wobei d₃ = 2,8 mm die Dicke der Zerstreuungslinse 6 bezeichnet. Mit r₈ = 27,81 mm ist der konkave Radius der Zerstreuungslinse 6 bezeichnet. Als besonders vorteilhaft haben sich Gläser vom Typ BK7G18 und K5G20 erwiesen, wobei es sich insbesondere als vorteilhaft erwiesen hat, wenn für die Sammellinse 5 und die Zerstreuungslinse 6 gleiche Glastypen Verwendung finden.

Bei diesen Systemen haben die Linsen des erfindungsgemäßen dioptrischen Teils einen gegenseitigen Abstand von 0,055f und die einzelnen Brechkräfte betragen +5,2ϕ für die Sammellinse 5 und -14,9ϕ für die Zerstreuungslinse 6. Die Gesamtbrennweite dieses dioptrischen Teils ist negativ und es steht in seiner Gesamtheit im freien Raum zwischen Haupt- und Fangspiegel. Die Durchbiegung des Maksutov-Meniskus 4 ist verhältnismäßig gering; dessen frontaler Krümmungsradius ist betragsmäßig größer als 0,19f.

In der Fig. 2 ist ein Spiegellinsensystem 1 mit einer zusätzlichen Bildebenungslinse 7 dargestellt, wobei der Abstand zwischen Hauptspiegel 2 und Fangspiegel 3 erheblich verkürzt ist, so daß sich trotz der Bildebenungslinse 7 die Gesamtbaulänge reduziert. Ein Dimensionierungsbeispiel für die Anordnung nach Fig. 2 ist in Tabelle 2 dargestellt. Der Abstand zwischen Hauptspiegel 2 und Fangspiegel 3 beträgt e₁ = 150 mm = 0,15f. Für alle Linsen wird hier vorzugsweise das gleiche Glas K5 (bzw. K5G20) verwendet. Die beiden Linsen 5, 6 des dioptrischen Teils haben einen gegenseitigen Abstand von 0,044f. Die einzelnen Brechkräfte betragen +7,4ϕ für die Sammellinse 5 und -28,2ϕ für die Zerstreuungslinse 6. Die Gesamtbrennweite dieses dioptrischen Teils ist negativ und steht in seiner Gesamtheit im freien Raum zwischen Hauptspiegel 2 und Fangspiegel 3. Der frontale Krümmungsradius des Maksutov-Meniskus 4 ist betragsmäßig größer als 0,17f. Die zusätzliche Bildebenungslinse 7 ist mit einer Brechkraft von ca. 10ϕ steht dicht vor der Bildebene, so daß eine freie beidseitige Schnittweite von 0,008f verbleibt. Mit r₉ und r₁₀ sind die Radien der Bildebenungslinse 7 und mit d₄ deren Dicke bezeichnet.

In der Fig. 3 ist ein Sammellinsensystem 1 mit einer achromatisierten Bildebenungslinse 8 dargestellt. In der Tabelle 3 ist wieder ein auf die Brennweite f = 1000 mm normiertes Dimensionierungsbeispiel angegeben. Der Abstand zwischen Hauptspiegel 2 und Fangspiegel 3 beträgt hier nur 0,142f. Die beiden Linsen 5, 6 des dioptrischen Systems sind in einem Abstand von 0,044f zueinander angeordnet. Die einzelnen Brechkräfte betragen +7,4ϕ für die Sammellinse 5 und -26,8ϕ für die Zerstreuungslinse 6. Die Gesamtbrennweite dieses dioptrischen Teils ist negativ und steht in seiner Gesamtheit im freien Raum zwischen Hauptspiegel 2 und Fangspiegel 3. Der frontale Krümmungsradius des Maksutov-Meniskus 4 ist betragsmäßig größer als 0,17f. Die zusätzliche achromatisierte Bildebenungslinse 8 mit einer Brechkraft von ca. 10ϕ steht so nahe der Bildebene, so daß eine freie bildseitige Schnittweite von ca. 0,016f verbleibt.

Bei allen drei Ausführungsformen gemäß Fig. 1-3 bliebt die Gesamtbaulänge unter 0,25f. Die beiden Ausführungsbeispiele gemäß Fig. 2 und 3 haben zudem extrem kurze Baulängen in Bezug auf den großen Tubus zwischen Maksutov-Meniskus 4 und Hauptspiegel 2. Alle derartigen Spiegellinsensystemen 1 können in Leichbauweise auch für kosmische Missionen eingesetzt werden. Die verwendeten Gläsern sind darüber hinaus auch als strahlenresistente Typen verfügbar.

Tabelle 1

Tabelle 2

Tabelle 3

Claims (7)

1. Spiegellinsenobjektiv vom Maksutov-Cassegrain-Typ, in Lichtrichtung umfassend einen zum Objektiv hin konkaven divergenten Maksutov- Meniskus, einen sphärischen Hauptspiegel und einen sphärischen Fangspiegel, dadurch gekennzeichnet, daß in Lichtrichtung hinter dem Fangspiegel (3) ein dioptrisches System in Form eines Teleobjektivs mit negativer Äquivalentbrennweite angeordnet ist, wobei das dioptrische System eine Sammellinse (5) und eine nachfolgende Zerstreuungslinse (6) umfaßt, die beide in einem gegenseitigen Abstand von mindestens 0,04f zueinander angeordnet sind, wobei das dioptrische System in seiner Gesamtheit in dem freien Raum zwischen Hauptspiegel (2) und Fangspiegel (3) steht und f die Brennweite des Spiegellinsenobjektivs (1) darstellt.

2. Spiegellinsenobjektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fangspiegel (3) mit dem zentralen Teil der konvexen Fläche des Maksutov-Meniskus (4) identisch ist.

3. Spiegellinsenobjektiv nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dicht vor der Bildebene eine zusätzliche sammelnde Bildebenungslinse (7) angeordnet ist.

4. Spiegellinsenobjektiv nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildebenungslinse (7) als Achromat (8) ausgebildet ist.

5. Spiegellinsenobjektiv nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Linsen (5, 6) des dioptrischen Systems in einem gegenseitigen Abstand von 0,04f bis 0,06f angeordnet sind und die Brechkraft der Sammellinse (5) im Bereich des 5- bis 8-fachen und die Brechkraft der Zerstreuungslinse (6) betragsmäßig im Bereich des 12- bis 30-fachen der Brechkraft des Spiegellinsenobjektivs (1) liegt.

6. Spiegellinsenobjektiv nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand vom Hauptspiegel (2) zum Fangspiegel (3) im Bereich von 0,2f liegt.

7. Spiegellinsensystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammellinse (5) und die Zerstreuungslinse (6) aus dem gleichen Glas ausgebildet sind.