Die Erfindung betrifft einen Apochromaten mit einer Mehrzahl von aufeinanderfolgenden Linsen, wobei jedes Paar aufeinanderfolgender Linsen eine sammelnde und eine zerstreuende Linse umfasst und durch ein dazwischen befindliches Fügemedium gekoppelt ist, und ein Verfahren zum Entwurf eines solchen Apochromaten .

Als Apochromate werden optische Systeme, zum Beispiel Objektive bezeichnet, bei denen der Farbfehler weitestgehend beseitigt ist. In der ursprünglichen Bedeutung ist ein apochromati- sches Linsensystem so berechnet, dass die Schnittweite für drei Wellenlängen im sichtbaren Bereich übereinstimmt und zusätzlich die sphärische Aberration auch für die Nebenfarben korrigiert ist, während beim einfacheren Achromaten die Übereinstimmung für nur zwei Wellenlängen gefordert ist und die sphärische Aberration in der Regel nur für die Hauptfarbe korrigiert ist. Auch für die übrigen Wellenlängen ergibt sich beim Apochromaten dann nur eine sehr kleine Abweichung der Schnittweite, womit der Farblängsfehler gut korrigiert ist.

Beim Durchlauf durch eine Linse werden Lichtstrahlen abhängig von ihrer Wellenlänge unterschiedlich stark von der Linse gebrochen (Dispersion) und treffen somit nicht genau auf denselben Punkt der Bildebene auf. Dadurch entstehen Unschärfen und Farbsäume (sekundäres Spektrum, chromatische Aberration) . Bei echten Apochromaten kann durch Gestaltung von aufeinanderfolgenden zerstreuenden und sammelnden Linsen durch die Art des Linsenmaterials und die geometrische Beschaffenheit der Linsen (Krümmungsradien) auch das sekundäre Spektrum beseitigt werden . Bekannte technische Lösungen für Fernrohr-, Kollimator- oder Messapochromaten bestehen in der Regel aus zwei bis drei Linsen, die sich wie folgt gliedern:

I. dreilinsige Kristall- oder Sonderglasapochromate ohne Luftspalt .

II. zwei- oder dreilinsige Glasapochromate (Kurzflintglas, Schwerflintglas) mit oder ohne Luftspalt,

III. zwei-, drei- oder vierlinsige Sonderglasapochromate mit einem, zwei oder gar drei Luftspalten.

Allen bisherigen Systemen ist gemein, das korrekturbedingte ungünstige Brechkraftverteilungen zu Dezentrierungs- und Kippempfindlichkeiten der beteiligten Linsen führen, welche die Gesamtkorrektion merklich bis erheblich verschlechtern.

Aufgrund der Brechungsindexwechsel in den Apochromaten nach II. und III. kommt es an allen Grenzflächenübergängen zu unvermeidlichen Reflexionen, insbesondere bei großen Brechzahldifferenzen zwischen den Gläsern, vor allem aber an den Glas- Luft-Übergängen, die sich zu einer nicht unerheblichen Gesamtreflexion summieren. Die bekannten Apochromate haben daher eine nicht unerhebliche restliche Reflektivität , die den Kontrast merklich bis erheblich mindert und auch in der Bildebene zu unerwünschten, störenden Reflexen (sogenannte „Geisterbilder" ) führt .

Eine Reflexminderung durch dünne Schichten auf den Glas-Luft Grenzflächen kann diese Effekte zwar mindern, für den Fall extrem hoher eingestrahlter optischer Leistungen (LASER) führen jedoch schon kleine Bruchteile des reflektierten Lichtes in Verbindung mit der stets endlichen Absorption im Glas zu unak- zeptablen thermischen und/oder optischen Belastungen durch nicht lineare Effekte.

Weiterhin weisen alle anderen Apochromaten mit Luftspalt wie oben unter II. und III. genannt folgende Nachteile bei der Fertigung und Handhabung auf:

1. Alle Glasflächen an Glas-Luft-Übergängen müssen mit hohem Aufwand in Form und Oberflächengüte hergestellt und auspoliert werden;

2. es muss ein hoher Aufwand zur Justierung des Luftspaltes betrieben werden, da sonst Dezentrierungsfehler und Achskoma entstehen;

3. die Kristall- bzw. Sonderglaslinsen weisen meist extrem geringe Schleifhärten auf, was zu einem erhöhten technologischen Fertigungsaufwand für die notwendige Politur führt ;

4. Kristall- bzw. Sonderglaslinsen weisen einen großen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, der zu großen Radiusänderungen und damit zu einer temperaturabhängigen Veränderung der Korrektur des Apochromaten führt;

5. auch bei einer zu Beginn vorgenommenen aufwendigen Justierung der Linsen zueinander kann später bei der Handhabung des Apochromaten durch Erschütterungen der Linsenstapel verrutschen; dadurch auftretende Dezentrierungs- und Kippfehler der Linsen verringern die Abbildungsgüte erheblich, bis hin zur Unbrauchbarkeit .

Ein Apochromat nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 und vom oben genannten Typ I. ist zum Beispiel in DD 241 142 AI beschrieben. Der beschriebene Apochromat besteht aus einer An- Ordnung von drei aufeinanderfolgenden sammelnden und zerstreuenden Linsen, zwischen denen als Fügemedium ein fluides, optisch transparentes Mittel zur Kopplung der Linsen vorgesehen ist. Als optische Linsen werden zwei aus einer speziellen Glasart bestehende zerstreuende Menisken verwendet, zwischen denen über das Fügemedium formschlüssig gekoppelt eine aus einem Kristall oder einem in den erforderlichen Parametern kristallähnlichen Glas bestehende Bikonvexlinse angeordnet ist. Durch die so geschaffene Brechkraftfolge (-(+)-) sowie durch spezielle Ausgestaltung der optischen Linsen soll ein hoher Transmissionsgrad durch Vermeidung von Reflexionsverlusten erreicht werden. Die erste optische Linse ist ein zerstreuender Meniskus aus Glas, die zweite optische Linse eine Bikonvexlinse aus Flussspat oder Flussspat ähnlichem Glas und die dritte optische Linse ein weiterer zerstreuender Meniskus aus Glas. Die erste und die dritte aus Glas bestehende Linse sind zum Beispiel durch folgende Kennwerte charakterisiert: Hauptbrechungsindex n _e = 1,52294 ± 0,03, Abbe-Zahl Ve = 59,90 ± 3,0 und relative Teildispersion 0 _e = 0,5096 ± 0,005. Dabei ist die Abbe-Zahl durch Ve = (n _e - 1) / (n _F - - n _c definiert, wobei n _F - der Brechungsindex bei der F '-Linie von 479, 9 nm ist und n _c - der Brechungsindex bei der C'-Linie von 643, 8 nm ist, und wobei die relative Teildispersion definiert ist durch 0' _gF' = (n _g - n _F / (n _F' - n _c . Der in dieser Patentschrift beschriebene Apochromat entspricht dem Modell Zeiss APQ 100/1000, der aus dem Glas ZK2 für die äußeren Menisken und Flussspat CaF ₂ für die mittlere Bikonvexlinse ausgebaut ist. CaF ₂ hat einen Brechungsindex von n _e = 1,43, so dass sich hier Brechungsindexdifferenzen An _e (ZK2 zu CaF ₂ ) von 0,09 ergeben.

Ein weiterer bekannter Apochromat (Zeiss APQ 100/1000) verwendet einen Aufbau aus BaK2, CaF ₂ und KU (Bezeichnung der Gläser in der Schott-Terminologie) . Hier gilt für die Brechungsindizes n _e (BaK2) = 1,54, n _e (CaF ₂ ) = 1,43 und n _e (KU) = 1,50, und für die Brechungsindexdifferenz aufeinanderfolgender Linsen An _e (BAK-CaF ₂ ) = 0,11 und An _e CaF ₂ -Kll) = 0,07.

Ein weiterer bekannter, ähnlicher Apochromat nach DE 43 10 660 verwendet neben einer Sonderglaslinse nur identische optische Medien, die zu einer ungünstigen Brechkraftverteilung (typisch 15% höher und damit ungünstiger als beim Apochromaten nach Anspruch 1) und somit zu einer höheren Empfindlichkeit gegenüber Dezentrierungen und Kippungen führen. Laut Aussage des Anmelders von DE 43 10 660 sind derartige Apochromate aufwändig zu fassen und weisen bei ungünstiger Brechkraftverteilung einen höheren Gaußfehler (farbabhängiger Öffnungsfehler) auf (U. Laux, Astrooptik, Verlag Sterne und Weltraum, 2. Auflage 1992, Seite 41 ff .) . Dieser führt zu einem hohen Fertigungssaufwand, sofern eine gleichbleibend hohe Abbildungsqualität sichergestellt sein soll (ebd. S. 46 f.).

Bei den herkömmlichen Entwurfsverfahren für Apochromaten wurden die Gläser in der Regel aus einem Graphen der Teildispersion 6 _gF als Funktion der Abbe-Zahl v _e herausgesucht, um die gewünschte Farbkorrektur zu erhalten. Dabei blieb der Brechungsindex zunächst unberücksichtigt, da für sogenannte Normalgläser der Brechungsindex von der Abbe-Zahl linear abhängig ist und daher nicht als unabhängiger Parameter zur Verfügung stand. Daher wurde der Brechungsindex nicht als primärer Entwurfsparameter angesehen, sondern ergab sich durch die Auswahl der anderen Parameter.

Darüber hinaus wird bei den bisherigen Lösungen unter I. der Brechungsindex der Gläser und/oder Kristalle nicht aufeinander abgestimmt. Bei den vorgefundenen großen Brechzahldifferenzen bisheriger Systeme nach I. erwachsen folgende Nachteile:

• Die produktionsbedingt unvermeidlichen Radien- und Dickenschwankungen führen stets zu großen Abweichungen von der ide- alen Korrektur, insbesondere bei hoch geöffneten Systemen (Blendenzahl k' <= 6) .

• Ungünstige Brechkraftverteilungen bei Verwendung identischer optischer Gläser, die einen erhöhten Gaußfehler und eine erhöhte Zentrier- bzw. Kippempfindlichkeit mit sich bringen.

• Weiterhin führt eine unvermeidbare Verschiebung der Linsen untereinander zu Dezentrierungs- und Kippfehlern, welche die Abbildung bis zur Unbrauchbarkeit stören.

• Reflexe an den inneren Flächen bleiben bauartbedingt nicht minimierbar .

• Durch die Einführung schwermetallfreier Gläser (z. B. N-... Gläser bei Schott und S-... Gläser bei Ohara) und die Verringerung der verfügbaren Glastypen und Kristalle durch die Glashersteller, sind viele Systeme nach dem Stand der Technik nur noch eingeschränkt oder gar nicht mehr herstellbar, wie etwa die Apochromaten nach DE 43 10 660 und DD 241 142 AI.

Diese Eigenschaften machen die Herstellung unmöglich oder erschweren die Herstellung einer gleichbleibend hohen Abbildungsqualität, insbesondere die Serienproduktion von Apochromaten nach I., z.B. durch erhöhte Fertigungskontrolle und durch aufwendige Fassungen.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Apochromaten und ein Verfahren zu dessen Entwurf anzugeben, der die physikalisch erreichbare geometrische und farbliche Korrektur von Apochromaten unter Verwendung von kostengünstigen, verfügbaren Gläsern, Kristallen und Sondergläsern bei geringem technologischem Aufwand bei der Herstellung und Justierung bei gleichzeitig hoher Stabilität gegenüber Strahlung, Temperatur für einen robusten Einsatz ermöglicht.

Zur Lösung dieser Aufgabe dient ein Apochromat mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 in Verbindung mit dessen Oberbegriff sowie ein Verfahren mit den kennzeichnenden Merk- malen des Anspruchs 5 in Verbindung mit dessen Oberbegriff. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Bei den erfindungsgemäßen Apochromaten aus wenigstens drei aufeinanderfolgenden Linsen i,j,k bestehen sämtliche Linsen aus unterschiedlichen optischen Gläsern; dabei sind die Linsen und das Fügemedium so aufeinander abgestimmt, dass praktisch keine Brechungsindexwechsel (Betrag der Brechungsindexdifferenz maximal 0,02) auftreten, wodurch die Reflexion minimiert ist. Ferner sind sämtliche Linsen aus unterschiedlichen optischen Gläsern und sind Linsenpaare aufeinanderfolgender Linsen i,j und j,k der optischen Glasart nach so ausgewählt, dass für das erste Linsenpaar i,j die Differenz der Brechungs- indices n _d die Bedingung An _i:j < 0,02 erfüllt, dass die Differenz der Abbe-Zahl die Bedingung IAvei | ^ 5,00, und dass die Differenz der relativen Teilsdispersionen im blauen Spektralbereich die Bedingung ΔΘ ' _g p' i _j ^ 0, 005 erfüllt, wobei die Abbe-Zahl definiert ist durch Ve = (n _e - 1) / (n _F - - n _c , die relative Teildispersion durch 0' _gF' = (n _g - n _F / (n _F - - n _c , so dass die Differenz der Abbe-Zahl definiert ist durch lÄVeij (n _ei )/(n _F 'i - n _C 'i) - (n _ei / (n _F , _{j C} 'j) | und die Differenz der Teildispersion zwischen zwei Linsen i und j definiert ist durch

ΔΘ' _§Ρ ' i _j =( (n _gi - n _F' i)/(n _F' i - n _C' i ) ) - ( ( n _gj - n _F ^ ) / ( n _F ^ - n _C'j ) ) , und dass für das zweite Linsenpaar j,k die Differenz der Bre- chungsindices n _d die Bedingung An- _jk < 0,02 erfüllt, dass die Differenz der Abbe-Zahl die Bedingung IAve- _jk | ^ 5,00, und dass die Differenz der relativen Teilsdispersionen im roten Spekt- ralbereich die Bedingung AG'c's k - 0, 005 erfüllt, wobei die Abbe-Zahl definiert ist durch Ve = (n _e - 1) / (n _F - - n _c , die relative Teildispersion durch Θ ' c _s = ( ⁿ c ^~ n _s )/(n _F' - n _c , so dass die Differenz der Abbe-Zahl definiert ist durch lÄVe-j _k l = I (n _e j) / (n _F '-j - n _C 'j) - (n _ek )/(n _F ^, _k - n _C ' _k ) I und die Differenz der Teildispersion definiert ist durch ( (n _c -j - n _sj )/(n _F 'j - n _c -j ) ) - ( ( n _c - _k - n _sk )/(n _F ^, _k - n _c - _k ) ) .

Der Betrag der Differenz zwischen dem Brechungsindex n _d des Fügemediums dem Brechungsindex der an die Fügemediumschicht anschließenden Linsen beträgt maximal 0,02.

Der erfindungsgemäße Apochromat hat nur zwei Luft-Glas- Übergänge, die Reflexion erzeugen können. Da alle Linsen einen nahezu gleichen Brechungsindex aufweisen und die restliche Re- flektivität weniger als 0,026% des einfallenden Lichtstroms beträgt, was etwa 4 bis 20 mal weniger ist, als das, was herkömmliche Apochromaten erreichen, durchläuft die Wellenfront das Innere des Linsenstapels ohne Lichtverlust und ohne messbare weitere Brechung, d.h. die Lichtstrahlen werden praktisch nicht mehr abgelenkt.

Üblicherweise werden die Teildispersionen (differentielle Teilspektren) wie oben definiert:

9' _gF ' = (n _g - n _F /(n _F' - n _c blauer Teil des Spektrums

0'c's = ( ⁿ c ^{~ n} s) / ( ⁿ F' ^~ n _c roter Teil des Spektrums bezogen auf das Gesamtspektrum von der F '-Linie bei 479,9 nm bis zur C'-Linie bei 643,8 nm. Historisch bedingt werden häufig auch folgende Teildispersionen benut zt :

9 _g F = (n _g - n _F ) / (n _F - n _c ) blauer Teil des Spektrums

öcs = ( ⁿ c ^{~ n} s) / ( ⁿ F ^~ n _c ) roter Teil des Spektrums bezogen auf das Gesamtspektrum von der F-Linie bei 486,1 nm bis zur C-Linie bei 656,3 nm.

Bisher wurde beim Entwurf von Apochromaten lediglich Bezug auf eine relative Teildispersion, in der Regel auf 6' _g F' oder auf 0 _g p genommen .

Beim erfindungsgemäßen Apochromaten wird Bezug auf zwei relative Teildispersionen genommen, da unterschiedliche Partnergläser entsprechend ausgewählt werden können:

1. Sonderglas und Partnerglas 1 gepaart in Bezug auf 6' _g F' oder 0 _gF .

2. Sonderglas und Partnerglas 2 gepaart in Bezug auf Θ ' c _s oder 0c _s .

Beispiel 1 :

Erfindungsgemäßer Apochromat, Brechkraftfolge (-(+)-)

Die blaue Paarung ist optimal für N-ZK7 und N-PK52A, die Paarung für N-PK52A und N-BAK2, wobei in der nachfolgenden belle die genannten Differenzen der Teildispersionen für die beiden Linsenpaare angegeben ist.

Beispiel 2 :

Erfindungsgemäßer Apochromat, Brechkraftfolge (+)-(+)

Die blaue Paarung ist optimal für N-SSK8 und N-KZFS4, die rote für N-KZFS4 und N-BALF4, wobei in der nachfolgenden Tabelle die genannten Differenzen der Teildispersionen für die beiden Linsenpaare angegeben ist.

Für vergleichbare Gläser anderer Hersteller gelten die obigen Betrachtungen analog.

Die genannten Maßnahmen führen zu einer optimalen Brechkraftverteilung und damit zu einer großen optischen Stabilität des Apochromaten gegenüber mechanischen Einflüssen, wie etwa De- zentrierungs- oder Kippfehlern bei der Montage oder durch Erschütterungen bei der Handhabung. Ferner kommt es bei Anwendungen mit hohen LichtIntensitäten (z.B. Laserlicht sehr hoher Leistung) zu einer extrem geringen Energiedeposition (Erwärmung) in dem Apochromaten .

Die Linsen sollen nach ihren Brechungsindizes gleich oder annähernd gleich (Brechungsindexdifferenz <0,02) sein und eine gleiche oder annähernd gleiche Teildispersionen wie in Anspruch 1 definiert für ein Linsenpaar im Blauen und für das andere im Roten haben, wobei diese Anpassung aneinander wenigstens soweit gehen soll, dass die Wellenfront einer den Apochromaten durchlaufenden Welle im gewünschten Spektralbereich insgesamt um weniger als λ/4 deformiert wird.

Der technologische Aufwand sinkt gegenüber dem Stand der Technik erheblich, während die Güte der hergestellten Apochromate trotz geringerer Anforderungen an die Fertigungsgenauigkeit im visuellen Spektrum zwischen den Linien F' (479,9 nm) und C (643,8 nm) die Beugungsgrenze vollständig überschreitet.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Entwurf eines Apochromaten mit drei aufeinanderfolgenden Linsen i,j,k, wobei jedes Paar aufeinanderfolgender Linsen eine sammelnde und eine zerstreuende Linse umfasst, wobei aufeinanderfolgende Linsen dem Betrag nach gleiche, rein sphärische Krümmungsradien haben und durch ein dazwischen befindliches Fügemedium gekoppelt sind, ist vorgesehen dass sämtliche Linsen aus unterschiedlichen optischen Gläsern ausgewählt werden,

dass Linsenpaare aufeinanderfolgender Linsen i,j und j,k der optischen Glasart nach so ausgewählt werden, dass für das erste Linsenpaar i,j die Differenz der Brechungs- indices n _d die Bedingung < 0,02 erfüllt, dass die Diffe- renz der Abbe-Zahl zwischen den zwei aufeinanderfolgenden Linsen die Bedingung IAvei | ^ 5, 00, und dass die Differenz der relativen Teilsdispersionen im blauen Spektralbereich die Bedingung ΔΘ ' _g p' i _j ^ 0, 005 erfüllt, wobei die Abbe-Zahl definiert ist durch Ve = (n _e - 1) / (n _F - - n _c , die relative Teildispersion durch 0' _gF ' = (n _g - n _F / (n _F - - n _c , so dass die Differenz der Abbe-Zahl definiert ist durch lÄVeij I = I (n _ei )/(n _F 'i - n _C 'i) - (n _ei / (n _F , _j - n _C 'j) | und die Differenz der Teildispersion zwischen zwei Linsen i und j im blauen Spektralbereich definiert ist durch

ΔΘ' _§Ρ ' ij=( (n _gi - n _F 'i)/(n _F 'i - n _C 'i ) ) - ( ( n _gj - n _F ^ ) / ( n _F ^ - n _C 'j) ) , und und dass für das zweite Linsenpaar j,k die Differenz der Bre- chungsindices n _d die Bedingung An- _jk < 0, 02 erfüllt, dass die Differenz der Abbe-Zahl zwischen den Linsen die Bedingung lAve- _jk l ^ 5, 00, und dass die Differenz der relativen Teilsdispersionen im roten Spektralbereich die Bedingung AG'c's _k - 0, 005 erfüllt, wobei die Abbe-Zahl definiert ist durch Ve = (n _e - 1) / (n _F' - n _c , die relative Teildispersion durch 9'c's = ( ⁿ c ^~ n _s )/(n _F' - n _c , so dass die Differenz der Abbe-Zahl definiert ist durch lAve- _jk l = I (n _e j) / (n _F '-j - n _C 'j) - (n _ek )/(n _F , _k - n _C'k ) I und die Differenz der Teildispersion zwischen zwei Linsen j und k definiert ist durch ( (n _C 'j - n _sj )/(n _F ,j - n _c - j ) ) - ( ( n _c - _k - n _sk )/(n _F , _k - n _c - _k ) ) Das Fügemedium wird derart ausgewählt, dass sein Brechungsindex n _d von dem Brechungsindex n _d der an die Fügemediumschicht angrenzenden Linsen maximal um 0,02 abweicht.

Bei den herkömmlichen Entwurfsverfahren für Apochromaten wurde die Differenz der Brechungsindizes der einzelnen Linsen und Fügemediumschichten nicht als anpassbarer Parameter erkannt, da z.B. nicht berücksichtigt worden ist, dass bei Sondergläsern mit anomaler Dispersion sich der Brechungsindex nicht automatisch aus der gewünschten Abbe-Zahl ergibt.

Bei Entwurfsverfahren für Apochromaten wird bisher so vorgegangen, dass die Summe aller optisch wirksamen Abweichungen oder Fehler des Apochromaten minimiert wird. Bei den herkömmlichen Entwurfsverfahren wurden dabei in aller Regel nur lokale Minima gefunden, d.h. die gefundene Lösung für den Aufbau des Apochromaten ist nicht robust gegenüber Abweichungen von den Idealparametern, z.B. durch Fertigungsabweichungen. Bei Auswahl der Gläser wie in dem beanspruchten Verfahren und durch Einbeziehung der Differenz des Brechungsindexes und unter Hinzuziehung der Zwangsbedingung, dass die Brechungsindizes aufeinanderfolgender Linsen und Fügemedienschichten gleich oder annähernd gleich sein sollen, in das mathematische Entwurfsverfahren gelingt es, das absolute Minimum der Summe aller optisch wirksamen Abweichungen oder Fehler zu finden, d.h. eine Lösung für den Aufbau des Apochromaten, die robust ist gegenüber geometrischen Fertigungsabweichungen und Abweichungen der in dem Entwurfsverfahren verwendeten Parameter. Dies führt zu einem erheblich robusteren Aufbau, der erheblich weniger Aufwand bei der Herstellung, der Montage der Komponenten und ihrer Justierung erfordert.

Bei der Fertigung tritt eine Vereinfachung auch insoweit ein, als die Linsen keine extrem feine Politur wie im Stand der Technik benötigen, sondern ein Feinschliff ausreicht, da die Forderung nach einer verschwindenden Differenz der Brechungsindizes in Verbindung mit dem flüssigen Fügemedium die Oberfläche der feingeschliffenen Linse optisch wirksam vergütet. Durch die gleichen Krümmungsradien der Menisken aus den schleifhärteren Gläsern wird die Korrektion des Systems sichergestellt. Bei der Handhabung ist der erfindungsgemäße A- pochromat robuster, denn geringfügige Positionsveränderungen der Linsen infolge von Erschütterungen werden vom Fügemedium aufgefangen und haben wegen des verschwindenden Unterschiedes der Brechungsindizes der Linsen keine Auswirkungen mehr. Aus dem gleichen Grund spielen auch thermische Ausdehnungen keine Rolle mehr, da die Ausdehnung bzw. das Zusammenziehen der Linsen wiederum vom Fügemedium aufgenommen werden kann und auch hier wegen der annähernden Gleichheit der Brechungsindizes keine optische Wirkung erzielt wird. Das optische Fügemedium ist ein viskoses, fluides Medium oder ein flexibel deformierbares Medium, das Positions- oder Ausdehnungsänderungen der Linsen aufnehmen kann. Spannungskräfte, wie in verkitteten System nachdem Stand der Technik treten hierbei nicht auf.

Ein Anwendungs zweck der Erfindung besteht auch darin, polychromatisches, sichtbares Synchrotronlicht der Synchrotronstrahlungsquelle PETRA III zwecks Analyse der Wellenfront und der Zeitstruktur aus dem strahlungsbelasteten Beschleunigertunnel in ein außerhalb liegendes Labor zu transportieren. Hierfür werden große geometrisch und farblich hoch korrigierte apochromatische Optiken mit 50 bis 250 mm freier Öffnung benötigt, die ein Öffnungsverhältnis von 1:15 bis 1:5 ermöglichen müssen. Für den Transport der Wellenfront durch ein Relais mit drei Apochromaten, muss die Polychromatische Abbildung in genau einer Bildebene, genau der Bildebene des jeweils folgenden Apochromaten, sichergestellt sein.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in den Zeichnungen beschrieben, in denen: Fig. 1 einen Apochromaten mit einer Brechkraftfolge (-(+)-) links in einer Ansicht nach der Brechzahl und rechts in einer Ansicht nach den Bauteilen zeigt,

Figur 2a die Helligkeitsverteilung (Definitionshelligkeit) einer punktförmigen Lichtquelle in der Bildebene eines erfindungsgemäßen Apochromaten mit den Aufbau gemäß Figur 1 und Figur 2b die Helligkeitsverteilung desselben Aprochromaten zeigt, nachdem die Mittellinse um 50pm senkrecht zur optischen Achse verschoben und um 5' gegenüber der optischen Achse verkippt worden ist, Figur 2c zeigt die Projektion von 2a auf die Bildebene, Figur 2d die Projektion von 2b auf die Bildebene.

Figuren 3a und 3b die Helligkeitsverteilungen entsprechend Figuren 2a und 2b vor und nach Versetzung der Mittellinse (50pm senkrecht zur optischen Achse verschoben und um 5' gegen die optische Achse verkippt) für einen Apochromaten nach dem Stand der Technik gemäß DE 43 10 660 AI zeigen, 3c und 3d zeigen Projektionen wie 2c und 2d

Figuren 4a und 4b die Helligkeitsverteilungen entsprechend Figuren 2a und 2b vor und nach Versetzung der Mittellinse (50pm senkrecht zur optischen Achse verschoben und um 5' gegen die optische Achse verkippt) für einen Apochromaten nach dem Stand der Technik gemäß DD 241 142 AI zeigen, 4c und 4d zeigen Projektionen wie 2c und 2d,

Figuren 5a und 5b die Helligkeitsverteilungen entsprechend Figuren 2a und 2b vor und nach Versetzung der Mittellinse (50pm senkrecht zur optischen Achse verschoben und um 5' gegen die optische Achse verkippt) für einen weiteren Apochromaten gemäß einem Stand der Technik zeigen (LZOS - Optisches Kombinat Lyt- karino bei Moskau, LZOS Firmenschrift, JSC „LZOS"), 5c und 5d zeigen Projektionen wie 2c und 2d, Fig. 6 einen erfindungsgemäßen Apochromaten mit einer Brechkraftfolge (+)-(+) links in einer Ansicht nach der Brechzahl und rechts in einer Ansicht nach den Bauteilen zeigt,

Figur 7a die Helligkeitsverteilung (Definitionshelligkeit) einer punktförmigen Lichtquelle in der Bildebene eines erfindungsgemäßen Apochromaten mit Aufbau gemäß Figur 6 und Figur 7b die Helligkeitsverteilung desselben Aprochromaten zeigt, nachdem die Mittellinse um 50pm senkrecht zur optischen Achse verschoben und um 5' gegenüber der optischen Achse verkippt worden ist, Figur 7c zeigt die Projektion von 7a auf die Bildebene, Figur 7d die Projektion von 7b auf die Bildebene.

Figuren 8a und 8b die Helligkeitsverteilungen entsprechend Figuren 7a und 7b vor und nach Versetzung der Mittellinse (50pm senkrecht zur optischen Achse verschoben und um 5' gegen die optische Achse verkippt) für einen Apochromaten nach dem Stand der Technik gemäß dem Artikel von Roland Christen, ^' Revised Trioplet Design ^' , Sky and Telescope (April 1982), Seiten 411- 412, zeigen, 8c und 8d w zeigen Projektionen ie 7c und 7d,

Figuren 9a und 9b die Helligkeitsverteilungen entsprechend Figuren 7a und 7b vor und nach Versetzung der Mittellinse (50pm senkrecht zur optischen Achse verschoben und um 5' gegen die optische Achse verkippt) für einen weiteren Apochromaten gemäß einem Stand der Technik zeigen (B-Objektiv Carl Zeiss Jena) . 9c und 9d zeigen Projektionen wie 7c und 7d.

Figur 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Apochromaten mit der Brechkraftfolge (-(+)-) . Dieser Apochromat ist aus kronartigen Gläsern oder Kristallen aufgebaut. Ein Beispiel mit den technischen Daten der Linsen und ihrer Anordnung ist in der unten aufgeführten Tabelle gegeben. Figur 1 zeigt links den erfindungsgemäßen Apochromaten in einer Ansicht nach der Brechzahl, in der der Apochromat als einheitliches Medium erscheint, da die Brechungsindexdifferenzen der Linsen und des Fügemediums minimal sind. In der rechten Darstellung sind die Komponenten des Apochromaten als Bauteile dargestellt. Dabei folgt auf eine erste Meniskuslinse (Medium 1) eine bikonkave Mittellinse (Medium 3) und darauf wieder eine Meniskuslinse (Medium 5), wobei in den Zwischenräumen zwischen diesen Linsen jeweils ein Fügemedium (Medium 2 und 4) vorgesehen ist, derart das die Linsen miteinander koppelt und das der Brechungsindex an die Linsen angepasst ist. Als Fügemedium wird jeweils ein Phenylmethylsilikonöl verwendet. Gläser und Fügemedium sind so gewählt, dass die Differenz der Brechungsindices im Licht der Helium d-Linie von 587,6 nm maximal |An _d |=0,02 beträgt.

In der nachfolgenden Tabelle wird ein derartiges System für eine Blendenzahl k'=6 beschrieben.

Apochromat mit Brechkraftfolge (-(+)-)

Allgemeine Beschreibung

Flächen 5

Blenden 1

Freie Öffnung / mm 50

Temperatur / °C 2, 00000E+001

Luftdruck / 1013,25 hPa 1, 00000E+000

Bemerkung Glasdaten an Umgebungsdaten angepasst

Brennweite Objektraum / mm 311,0 (Luft bei Temperatur und

Druck )

Brennweite / mm 310,9674 (bildseitig)

Schnittweite / mm 293,5585 (bildseitig)

Blendenzahl 6,2

Blenderadius / mm 25 Paraxiale Bildhöhe / mm 2,985164

Paraxiale Vergrößerung 0

Durchmesser Eintrittspupille / 50 mm

Lage der Eintrittpupille / mm 0

Durchmesser Austrittspupille / 50,31756 mm

Lage der Austrittspupille / mm -312, 8961

Max. Feldradius / Grad 0,55

Hauptwellenlänge / pm 0,546074

Konstruktionseinheit Millimeter

Felder

Anzahl Wellenlängen

Einheit

Systemdaten

Daten für Brechzahl

Brechzahlen relativ zur Brechzahl von Luft bei Systemtemperatur und Luftdruck,

Wellenlängen gemessen in Luft bei Systemtemperatur und Luftdruck,

Auswahlkriterium: Brechzahldifferenz An _d kleiner gleich 0,02.

Fläche Druck / 0,479 pm 0,546 pm 0,656 pm

Glas Temp . 1013,25

hPa

0 20,00 1,00 1,00000000 1, 00000000 1, 00000000

1 S-BSL7 20,00 1,00 1, 52243275 1,51825459 1,51386363 2 S-FPL51 20, 00 1,00 1,50163249 1, 49845730 1, 49514276

3 S-NSL3 20,00 1,00 1,52493927 1,52033014 1,51556492

4 20,00 1,00 1,00000000 1, 00000000 1, 00000000

5 20,00 1,00 1,00000000 1, 00000000 1, 00000000

Figur 2a zeigt die Helligkeitsverteilung des in diesem Beispiel beschriebenen erfindungsgemäßen Apochromaten d=100 mm, f ' = 1000 mm, wobei die Helligkeitsverteilung einer punktförmigen Lichtquelle in der Bildebene des Apochromaten dargestellt ist. Die Helligkeitsverteilungen sind über die Wellenlängen des sichtbaren Lichts integriert. Die dargestellte quadratische Fläche hat eine Kantenlänge von 32pm. Die Helligkeitsverteilung (Definitionshelligkeit) hat in Figur 2a eine normierte Definitionshelligkeit von 99,5% bei der optimalen Justierung. Die Beugungsscheibe hat einen Durchmesser von etwa 13pm. Um die Robustheit des erfindungsgemäßen Apochromaten gegenüber Verschiebungen oder Fehl justierungen darzustellen, ist in Figur 2b die Helligkeitsverteilung der punktförmigen Lichtquelle in der Bildebene des Apochromaten gezeigt, nachdem die Mittellinse um 50pm axial nach außen verschoben und um 5' (5 Bogenminuten ) gegenüber der Längsachse verkippt worden ist, was z.B. nach einem Stoß der Fall sein kann. Figur 2b zeigt, dass die Helligkeitsverteilung immer noch beugungsbegrenzt konzentriert ist (Beugungsbegrenzt: Definitionshelligkeit > 80%) und eine normierte Definitionshelligkeit von 84,8% erreicht, was immer noch eine praktisch sehr gut verwertbare Qualität ist.

Zum Vergleich sind in Figuren 4a und 4b die Helligkeitsverteilungen eines Apochromaten d=100 mm, f ' = 1000 mm nach dem Stand der Technik gemäß DD 241 142 AI gezeigt. Die Brechungs- indices haben hier eine Differenz im Licht der Helium d-Linie bei 587,6 nm von An _d =0, 096. Bei optimaler Justierung wie in Figur 4a gezeigt, zeigt auch dieser Apochromat eine hohe normierte Definitionshelligkeit von 99.8%. Allerdings ist die Qualität der Abbildung viel stärker von der exakten Justierung abhängig, was Figur 4b zeigt, bei der wieder die Mittellinse um 50pm axial nach außen verschoben und um 5 Bogenminuten gegenüber der Längsachse verkippt ist. Die Helligkeitsverteilung erreicht hier nur noch eine normierte Definitionshelligkeit von 57,5%. Die Abbildung ist nicht mehr Beugungsbegrenzt , sondern deutlich schlechter.

Eine ähnliche Verschlechterung der Abbildung zeigen die Figuren 3b und 3d für einen Apochromaten gemäß DE 43 10 660 AI.

Figuren 5a und 5b zeigen zum Vergleich einen weiteren Apochromaten aus dem Stand der Technik. Dieser Apochromat d=100 mm, f' = 1000 mm hat eine Brechungsindexdifferenz | An _d | von 0, 447. Bei optimaler Justierung wie in Figur 5a dargestellt, erreicht auch dieser Apochromat eine hohe normierte Definitionshelligkeit von 99,6%. Nachdem die Mittellinse um 50pm quer zur Längsachse verschoben und um 5 Bogenminuten zur Längsachse gekippt ist, ist die Qualität der Helligkeitsveteilung nach Figur 5b jedoch deutlich verschlechtert. Die Helligkeitsverteilung erreicht nur noch eine normierte Definitionshelligkeit von 38,9% und ist deutlich erkennbar nicht mehr beugungsbe- grenzt .

Insbesondere die Unterfiguren jeweils zu c und zu d zeigen die deutliche bis starke Empfindlichkeit des Standes der Technik gegenüber geringen Fassungsfehlern, die eine merkliche bis erhebliche Störung der Bildsymmetrie bis hin zur Unbrauchbarkeit bewirken. Die erfindungsgemäßen Apochromate nach Anspruch 1 hingegen weisen bei den gleichen Störungen fast keine Verschlechterung der Bildsymmetrie auf und bleiben beugungsbe- grenzt . Im Folgenden wird ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Apochromaten mit der Brechkraftfolge (+)-(+) beschrieben. Dieser Apochromat ist aus flintartigen Gläsern oder Kristallen hergestellt. Wegen der größeren Dispersion der Flintgläser gegenüber den Krongläsern, besitzen die flintartigen Apochromate generell eine etwas geringere Güte als die kronartigen Apochromate. Ein Beispiel mit den technischen Daten der Linsen und ihrer Anordnung ist in der weiter unten aufgeführten Tabelle angegeben.

Figur 6 zeigt links den erfindungsgemäßen Apochromaten d=100 mm, f ' = 1000 mm in einer Ansicht nach der Brechzahl in der der Apochromat als ein einheitliches Medium erscheint; in diesem Beispiel ist die maximale Differenz der Brechungsindizes An _d =0,034; dabei folgt auf einer bikonvexen Linse (Medium 1) eine bikonkave Mittellinse (Medium 3) und auch wiederum eine bikonvexe Linse (Medium 5), wobei die Linsen durch ein optisches Fügemedium gekoppelt sind, das die Zwischenräume zwischen den Linsen auffüllt und im Brechungsindex jeweils die nachfolgende Linse angepasst ist. Im vorliegenden Beispiel wird als Fügemedium ein höheres Phenylmethylsilikonöl verwendet (Medium 2 und 4) .

In der nachfolgenden Tabelle wird ein derartiges System für eine Blendenzahl k'=6 beschrieben.

Apochromat mit Brechkraftfolge (+)-(+)

Allgemeine Beschreibung

Flächen 5

Blenden 1

Freie Öffnung / mm 50

Temperatur / °C 2, 00000E+001

Luftdruck / 1013,25 hPa 1, 00000E+000

Bemerkung Glasdaten an Umgebungsdaten angepasst Brennweite Objektraum / mm 299,5 (Luft bei Temperatur und

Druck )

Brennweite / mm 299,5 (bildseitig)

Schnittweite / mm 288,7 (bildseitig)

Blendenzahl 6

Blendenradius / mm 25

Paraxiale Bildhöhe / mm 2, 875143

Paraxiale Vergrößerung 0

Durchmesser Eintrittspupille / 50

mm

Lage der Eintrittspupille / mm 0

Durchmesser Austrittspupille / 50,62333

mm

Lage der Austrittspupille / mm -303, 2063

Max. Feldradius / Grad 0,55

Hauptwellenlänge / pm 0,546074

Felder :

Anzahl Wellenlängen

Einheit

Systemdaten

Daten für Brechzahl

Temperatur / ⁰ Celsius 20,00

Luftdruck / hPa 1013,25 Absolute Brechzahl von Luft 1,000273 bei 0,546 pm Wellenlänge

Brechzahlen relativ zur Brechzahl von Luft bei Systemtemperatur und Luftdruck.

Wellenlängen gemessen in Luft bei Systemtemperatur und Luftdruck .

Auswahlkriterium: Brechzahldifferenz kleiner gleich 0,02

Figur 7a zeigt die Helligkeitsverteilung des in diesem zweiten Beispiel beschriebenen erfindungsgemäßen Apochromaten d=100 mm, f ' = 1000 mm, wobei wiederum die Helligkeitsverteilung einer punktförmigen Lichtquelle in der Bildebene des Apochromaten dargestellt ist. Die dargestellte quadratische Fläche hat eine Kantenlänge von 32pm, wobei die Höhe der Verteilung ein Maß für die Intensität des Lichtes ist. Die Helligkeitsverteilung ist dabei über die Wellenlängen des sichtbaren Lichts von 479 nm bis 656 nm integriert. Die Helligkeitsverteilung hat in Figur 7a eine normierte Definitionshelligkeit von 97,4% bei optimaler Justierung. Um wiederum die relative Unempfindlich- keit des erfindungsgemäßen Apochromaten gegenüber Justierungsveränderungen darzustellen, ist in Figur 7b die Helligkeitsverteilung wie in Figur 7a gezeigt, wobei jedoch die mittlere Linse um 50pm senkrecht zur optischen Achse verschoben und um 5 Bogenminuten zur optischen Achse verkippt worden ist. Danach hat der Apochromat in dem in Figur 7b dargestellten Zustand auch eine gut konzentrierte Helligkeitsverteilung, die eine normierte Definitionshelligkeit von 82,3% aufweist. Er ist nach wie vor beugungsbegrenzt (Beugungsbegrenzt : Definitionshelligkeit > 80%) . Damit genügt dieser Apochromat auch nach einer Dejustierung immer noch höchsten Anforderungen an die Abbildungsqualität .

Demgegenüber sind in den Figuren 8a und 8b die Eigenschaften eines Apochromaten d=100 mm, f ' = 1000 mm aus dem Stand der Technik gezeigt; dieser Apochromat ist in dem Artikel von Roland Christen, „Revised Triplet Design", Sky and Telecope (April 1982), Seiten 411-412 beschrieben. Dieser Apochromat hat eine Brechungsindexdifferenz zwischen den Linsen von | An _d | von 0,096. Er erreicht bei optimaler Justierung wie in Figur 8a gezeigt eine normierte Definitionshelligkeit von 96,6%. Nach der Dejustierung (50pm Verschiebung der Mittellinse gegenüber der optischen Achse und Verkippung um 5 Bogenminuten gegenüber der optischen Achse) ist die Helligkeitsverteilung nach Figur 8b deutlich aufgeweitet. Die Helligkeitsverteilung erreicht nur noch eine normierte Definitionshelligkeit von 44,7% und ist deutlich erkennbar nicht mehr beugungsbegrenzt. Daran zeigt sich, dass anders als bei dem erfindungsgemäßen Apochromaten, dessen Eigenschaften in den Figuren 7a und 7b gezeigt sind, der Apochromat nach dem Stand der Technik in den Figuren 8a und 8b keine Toleranzen gegenüber Dejustierungen aufweist, sondern bereits bei leichten Verschiebungen und Verkippungen eine erheblich verschlechtere Abbildungsqualität liefert, die in der Praxis nicht mehr akzeptabel ist. Die Figuren 9a und 9b zeigen die Eigenschaften eines weiteren Apochromaten aus dem Stand der Technik, nämlich eines B- Objektives d=100 mm, f '=1500 mm von Carl Zeiss Jena (siehe z.B. H. Haferkorn, Optik, 1. Auflage, S. 606., Verlag Harry Deutsch, 1981.) . Dieser Apochromat weist eine Brechungsindexdifferenz von I An _d I von 0, 529 auf. Bei optimaler Justierung erreicht der Apochromat eine konzentrierte Helligkeitsverteilung, die eine Definitionshelligkeit von 97,5% aufweist und deren Verteilungsbreite beugungsbegrenzt ist. Allerdings genügt schon eine geringe Dejustierung (Verschiebung der Mittellinse um 50pm senkrecht zur optischen Achse und Verkippung der Mittellinse um 5 Bogenminuten ) , um die Abbildungseigenschaften des Apochromaten drastisch zu verschlechtern, wie Figur 9b zeigt. Es ist praktisch keine konzentrierte Helligkeitsverteilung mehr zu erkennen, und es wird noch eine normierte Definitionshelligkeit von 6,9% erreicht. Damit ist dieser Apochromat aus dem Stand der Technik extrem anfällig auf die Dejustierun- gen. Demgegenüber zeigen die Figuren 7a und 7b, dass ein A- pochromat gemäß der vorliegenden Erfindung kleine Dejustierun- gen ohne wesentliche Beeinträchtigung der Abbildungseigenschaften toleriert. Damit sind die Apochromaten gemäß der vorliegenden Erfindung in der Herstellung vorteilhaft, da kein so großer Aufwand bei der anfänglichen Justierung der Linsen beim Hersteller getrieben muss. Ferner toleriert der Apochromat De- justierungen, die bei der Montage, durch Erschütterungen oder Stöße im Betrieb auftreten können.

Zur besseren Übersicht sind in der folgenden Tabelle die Bezeichnungen und Wellenlängen der Spektrallinien zusammenge- fasst, auf die in der vorliegenden Anmeldung häufig Bezug genommen wird. unhofer' sehe Linien

Wellenlänge/nm Symbol Farbe Element

1013,98 t infrarote QuecksilberHg

linie

852, 11 s infrarote Cäsiumlinie Cs

706,5188 r rote Heliumlinie He

656,2725 C rote Wasserstofflinie H

643, 8469 C rote Cadmiumlinie Cd

589, 2938 D gelbe Natriumlinie Na (Mitte der

Doppellinie )

587,5618 d gelbe Heliumlinie He

546, 0740 e grüne Quecksüberlinie Hg

486, 1327 F blaue Wasserstofflinie H

479,9914 F' blaue Cadmiumlinie Cd

435, 8343 g blaue Quecksüberlinie Hg

404,6561 h violette QuecksilberHg

linie

365, 0146 i ultraviolette QueckHg

silberlinie