DE691439C

DE691439C - eradlinigen Spaltbildes

Info

Publication number: DE691439C
Application number: DE1936Z0023330
Authority: DE
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 1936-07-29
Filing date: 1936-07-29
Publication date: 1940-05-27

Description

Abbildendes optisches System zur Erzeugung eines geradlinigen Spaltbildes Die Aufgabe, eine gerade Lichtlinie durch Erzeugung eines wenigstens angenähert geradlinigen Bildes eines Leuchtspaltes oder einer entsprechend gestalteten Lichtquelle mittels eines abbildenden optischen Systems mit zwei an Luft grenzenden Flächen darzustellon, ist in der Weise zu lösen versucht worden, daß man als optisches System eine Zylinderlinse benutzte, deren Zylinderachse parallel der Lichtlinie angeordnet war. Diese Lösung befriedigt jedoch nur dann, wenn es sich bei der Abbildung um verhältnismäßig kleine Bildwinkel handelt. Da mit zunehmenden Bildwinkeln die längs der Hauptstrahlen in der durch die Zylinderachse und die Lichtlinie bestimmten Ebene gemessenen Abstände des Objektes vom abbildenden System wachsen, folgt, daß bei konstanter Brechkraft der Linse die zugehörigen Bildabstände mit wachsendem Bildwinkel kleiner werden, statt zuzunehmen, wie es zur Erzielung eines in einer zur optischen Achse senkrechten Ebene gelegenen Bildes notwendig wäre. Es tritt also eine Bildfeldwölbung ein, die nur bei verhältnismäßig kleinem Bildwinkel vernachlässigt werden kann.
Der genannte Nachteil hat dazu geführt, daß man an Stelle eines geradlinigen Spaltes bereits einen Spalt benutzte, der zwar eben, aber in seiner Ebene gekrümmt war. Die Erfindung besteht in einer anderen Lösung der Aufgabe, bei welcher man zwar in bestimmten Fällen gleichfalls von der angegebenen Maßnahme der Krümmung des als Objekt für die Abbildung dienenden Spaltes Gebrauch machen kann, der Hauptteil der Bildfeldwölbung jedoch durch eine andere Maßnahme' behoben wird. Diese Maßnahme besteht darin, daß man die abbildende Zylinderlinse unter Beibehaltung ihrer Symmetrieebene als solcher so ändert, daß diese Änderung einer Verbiegung der Linse entspricht. Diese Verbiegung ist abhängig von der Krümmung des Spaltes, und es kann grundsätzlich zu jeder beliebigen Form eines ebenen Spaltes diejenige Verbiegung angegeben werden, die ein geradliniges Spaltbild ergibt. Es ergibt sich damit ein Aufbau des optischen Systems, bei dem dieses System zwei an Luft grenzende Flächen hat, bei welchen dieHauptkrümmungen konstant sind, welche in denjenigen Hauptnormalschnitten gemessen werden, die zu der durch den Leuchtspalt und sein Bild bestimmten Ebene senkrecht sind, wobei nach der Erfindung der geometrische Ort der zu den genannten Hauptnormalschnitten gehörenden Krümmungsmittelpunkte wenigstens bei einer der beiden Außenflächen eine gekrümmte Linie und bei beiden Außenflächen so gewählt ist, daß eine ebene scharfe Abbildung in denjenigen Hauptnormalschnitten erfolgt, welche auf der durch den Leuchtspalt und sein Bild bestimmten Ebene senkrecht stehen. Es empfiehlt sich, die Brechkraft, welche durch die Krümmung in denjenigen Hauptnormalschnitten bestimmt ist, die zu der durch den Leuchtspalt und sein Bild bestimmten Ebene senkrecht sind, bei der einen Außenfläche gege '. über der entsprechend errechneten Brechkr a bei der zweiten Außenfläche sehr klein machen, während die anderen Hauptkrüint mangen der Außenflächen für jeden Bildwinkel so zu bestimmen sind, daß die in der genannten Ebene verlaufenden Hauptstrahlen wenigstens angenähert senkrecht stehen auf der zweiten Außenfläche.
Zur Erläuterung diene folgende Überlegung. Man denkt sich das abbildende optische System aus planzylindrischen Elementen gleicher Brennweite aufgebaut, deren Zylinderachsen alle in einer Ebene liegen, die im folgenden als Symmetrieebene bezeichnet werden soll. Ort und Orientierung der Elemente ist so gewählt, daß die Brechkraft jedes Elements der Summe der reziproken Werte der Schnittweiten entspricht und die Hauptstrahlen senkrecht aus den Zylinderflächen austreten. Die Planflächen der Elemente können gegebenenfalls durch Aufsetzen von Prismenelementen so verändert werden, daß die einfallenden Hauptstrahlen die gewünschten Richtungen senkrecht zu den Zylinderflächenelementen erhalten. In Abb. i der Zeichnung sind mehrere solcher Linsenelemente im Aufriß schematisch dargestellt. Abb: a zeigt einen Schnitt des Schemas nach der Linie A-A der Abb. i. Die Zeichenebene der Abb. i, in welcher ein Leuchtspalt a und sein geradliniges Bild b liegend gedacht sind, ist die Symmetrieebene. Die Linsenelemente haben Zylinderflächen c und ebene Lichteintrittsflächen d, auf die zwecks Umlenkung der in der Symmetrieebene verlaufenden Hauptstrahlen e der abbildenden, zur Symmetrieebene senkrechten Abbildungsstrahlenbüschel ablenkende Prismen f aufgesetzt sind. Es ist ersichtlich, daß durch Ergänzung der Elemente zu einem stetig gekrümmten optischen System ein System entsteht, bei dem die Lichtaustrittsfläche die optisch wirksame Fläche ist, deren Hauptkrümmungen in den zur Symmetrieebene senkrechten Ebenen konstant sind, während die in der Symmetrieebene gelegenen Hauptkrümmungen sich entsprechend einer gestrichelt angegebenen Kurve g ändern, die mit Rücksicht auf die angestrebte geradlinige, scharfe Abbildung des Leuchtspaltes a so zu bestimmen ist, daß für alle diese Kurve schneidenden Hauptstrahlen die Summe der reziproken Schnittweiten gleich der reziproken Brennweite der Lichtaustrittsfläche in der Symmetrieebene ist. Die Kurve g ist so gezeichnet, daß ihre Tangenten mit den Zylinderachsen der Linsenelemente zusammenfallen. Die Kurve g gibt also an, in welcher Weise die Zylinderachse einer Zylinderlinse zu biegen wäre, um die genannte Bedingung zu erfüllen. Die Licht-'_'eintrittsfläche, welche senkrecht zur Symmetrieebene die Krümmung Null hat, ist .stinkrecht zur Symmetrieebene für die Abbil-'"dung unwirksam und dient lediglich dazu, die Hauptstrahlen so abzulenken, daß sie die Nichtaustrittsfläche senkrecht durchstoßen. Die Verteilung der Aufgaben auf die beiden Außenflächen des optischen Systems ist selbstverständlich willkürlich; es ist jedoch verständlich, daß nur dann eine gleichmäßige Aufteilung der Brechkräfte auf beide Flächen statthaft sein wird, wenn eine Umlenkung der Hauptstrahlen nicht nötig ist. Selbstverständlich kann auch der Lichteintrittsfläche die abbildende und der Austrittsfläche die umlenkende Wirkung zugewiesen werden.
Aus vorstehender Überlegung folgt, daß die Kurve g bestimmt ist, wenn die Gestalt des Leuchtspaltes gegeben ist. Praktisch hat man jedoch oft eine gewisse Freiheit in der Wahl dieser Gestalt. Diese Freiheit kann man sich zunutze machen, um das optische System z. B. so zu bestimmen, daß es ohne besondere Schwierigkeiten hergestellt werden kann, indem man wenigstens einer der Außenflächen auch in der durch den Leuchtspalt und sein Bild bestimmten Ebene konstante Krümmung gibt, die- Fläche also als torische Fläche ausführt. Man wählt dann die Gestalt des Leuchtspaltes so, daß. seine Abbildung ein wenigstens in dem erforderlichen Maße angenähert geradliniges Bild ergibt.
Eine besondere Vereinfachung, die im allgemeinen eine Umlenkung der Hauptstrahlen nicht mehr nötig macht, ergibt sich, wenn eine der Außenflächen des optischen Systems als Träger des Leuchtspaltes dient. Auch kann es zweckmäßig sein, mehrere optische Systeme der beschriebenen Art zu kombinieren. Mit einer Kombination mehrerer Glieder, die so angeordnet sind, daß die erzeugten Spaltbilder stetig aneinanderschließen, kann man einen besonders großen Bildwinkel erfassen, während eine Kombination, deren Glieder so angeordnet sind, daß das von einem Gliede erzeugteBild jeweils als Objekt des folgenden Gliedes dient, geeignet ist, die Bildgüte beispielsweise durch chromatische Korrektur zu verbessern.
In der Zeichnung sind drei Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt. Die Abb. 3, 5 und ; zeigen die Beispiele in Mittelschnitten im Aufriß. In den Abb. ¢ und 8 sind das erste und das dritte Beispiel in Mittelschnitten im Grundriß wiedergegeben, während Abb.6 das zweite Beispiel in einem Schnitt nach der Linie C-C der Abb. 5 angibt. Zur Herstellung sämtlicher Beispiele wird Spiegelglas mit einer Brechungszahl n = 1,522 benutzt. Die Lage der punktförmig angenommenen Lichtquelle ist jeweils mit L bezeichnet. S ist der Leuchtspalt, der von den optischen. Systemen abgebildet wird, und sein Bild ist B. Besteht das optische System aus mehreren Gliedern, dann sind diese Bezugsbuchstaben durch Indizes unterschieden.

Das als erstes Beispiel (Abb. 3-und 4) gewählte optische System besteht nur aus einem Gliede. Dieses Glied ist von einer sphärischen Lichteintrittsfläche mit dem Krümmungsradius r1 und einer tonischen Lichtaustrittsfläche begrenzt, deren großer Krümmungsrädius r2 die Krümmung des im Aufriß gezeichneten Schnittes bestimmt, während der kleine Krümmungsradius r3 die Krümmung in der Grundrißebene angibt. Die Lichteintr ittsfläche dient als Träger des abzubildenden Spaltes S, der als Aussparung eines diese Fläche bedeckenden, lichtundurchlässigen Belags verkörpert ist. Der Abstand des Scheitels der Lichteintrittsfläche von der Lichtquelle L ist 11, die Glasdicke in der optischen Achse d1 und der Abstand des Bildes B vorn Scheitel der Lichtaustrittsfläche ist 12. In der folgenden Tabelle I sind die Radien, Abstände und die Dicke für das Ausführungsbeispiel angegeben.

Tabelle I

45035 l1 = 37,7

y2 = 65,ooo d1 = 25,0

rs = 7,419 12 = 105,o.

Beim zweiten Ausführungsbeispiel (Abb. 5 und 6) besteht .das optische System aus drei nebeneinander angeordneten Gliedern. Sämtliche Glieder sind symmetrisch in bezug auf die durch .den Spalt und sein Bild bestimmte Ebene. Das mittlere der drei Glieder ist außerdem symmetrisch zu derjenigen Ebene, welche die erstgenannte Symmetrieebene in der optischen Achse des Systems rechtwinklig schneidet. Mit Bezug auf diese Ebene ist jedes der beiden äußeren Glieder symmetrisch zum andern. Die optischen Achsen.dieser Glieder liegen in der Symmetrieebene des gesamten optischen Systems und schneiden die optische Achse des mittleren Gliedes unter den Winkeln a und - a in einem Punkte, in welchem die zu den beiden äußeren Gliedern gehörende Lichtquelle L1 angeordnet ist. Die Lichteintrittsflächen dieser Glieder sind tonische (im vorliegenden Grenzfall zylindrische) Flächen mit den Radien y4 und yä; sie sind lichtundurchlässig belegt, wobei je ein Spalt S1 in dem Belag ausgespart ist. Die Lichtaustrittsflächen1 sind tonische Flächen mit den Krümmungsradien y6 und y7. Die Glieder sind begrenzt durch Ebenen, die senkrecht zur Symmetrieebene des ganzen Systems stehen und in denen die Lichtquelle L1 liegt. Diese Ebenen sind gegen die optischen Achsen der Glieder unter Winkeln ß und -ß sowie ß + y und - (ß -f- y) geneigt. Die Abstände der Scheitel der Lichteintrittsflächen von der Lichtquelle L1 sind 1s, die Dicken in den optischen Achsen d2. Zum mittleren Gliede gehört eine zweite Lichtquelle L2, die auf der optischen Achse des gesamten Systems im Abstande 1, von der Lichtquelle L, 'liegt. Die Lichteintrittsfläche dieses Gliedes ist eine tonische (im vorliegenden Grenzfall zylindrische) Fläche mit den Radien r8 und r9. Sie ist wiederum lichtundurchlässig belegt und trägt einen Spalt S2. Die Lichtaustrittsfläche ist gleichfalls tonisch; ihre Radien sind rio und y1, Der Scheitel der Lichteintrittsfläche hat den Abstand l5 von der Lichtquelle L2. Die Dicke des Gliedes ist ,d3 und der Abstand des von dem System erzeugten Spaltbildes B vorn Scheitel der Lichtaustrittsfläche des mittleren Gliedes ist l,. Dieses mittlere Glied ist begrenzt durch Ebenen, die senkrecht zur Symmetrieebene des Systems stehen und die optische Systemachse in der Lichtquelle L2 schneiden. Die Neigung dieser Ebenen zur optischen Achse beträgt d und -d. Die von den drei Gliedern .des Systems erzeugten Bilder schließen stetig aneinander an, wobei jedoch die Begrenzung der Glieder so gewählt ist, daß sich die Bilder um kleine Betränge an den Anschlußstellen überlagern. In der folgenden Tabelle 2 sind die Radien, Abstände, Dicken und Winkel des Ausführungsbeispiels zusammengestellt.

Tabelle 2

y4 = 82,290 yio = 137,161 1s = 81,414

y5 = 00 yii - 18,413 dz = 54276

13569o a = 13° 14 = 8o

y7 18,415 ß - 20" 1, = 82,810

ys = 83505 y = 25' d, = 54351

y, = x 8 - 34° La = 2913

Das dritte Ausführungsbeispiel (Abb.7 und 8) der Erfindung zeigt ein aus zwei hintereinander angeordneten Gliedern bestehendes optisches System. Die Glieder sind symmetrisch zu zwei Ebenen, die sich in der optischen Achse des Systems rechtwinklig schneiden. In dieser optischen Achse liegt die Lichtquelle L. Die Lichteintrittsfläche des Vordergliedes ist eine tonische (im vorliegenden Grenzfall zylindrische) Fläche mit den Krümmungsradien y12 und r13. Diese Fläche ist lichtundurchlässig belegt, wobei der Spalt S in dem Belege ausgespart ist. Die Lichtaustrittsfläche ist ebenfalls torisch und hat die Krümmungsradienr14 und r15. Das Hinterglied ist von zwei torischen Flächen begrenzt, derenKrümmungsradienrl, und r" bzw. r18 und r1, sind. Der -Abstand des Scheitels der Lichteintrittsfläche des Vordergliedes von .der Lichtquelle ist 1" die Dicke dieses Gliedes d4. Der Abstand des Hintergliedes vom Vordergliede ist l8, die Dicke des Hintergliedes d5. Das Vorderglied allein erzeugt ein reelles Bild B1 des Spaltes S im Abstande 1, + d5 + (L9 + 110) . Dieses Bild dient als virtuelles Objekt für das Hinterglied, welches hiervon wiederum ein reelles Bild B im Abstande l9 vom Scheitel der Lichtaustrittsfläche dieses Gliedes erzeugt. Das Vorderglied gleicht im wesentlichen dem ersten Ausführungsbeispiel. Die zweimalige Abbildung des Spaltes dient der besseren Bildfeldebnung. Tabelle 3 gibt die Krümmungsradien, Abstände und Dicken des Ausführungsbeispiels an.. Tabelle 3 45035 17 = 37,7 r13 = 00 84 = 25,0 9114 - 65,000 ls - 15,0 r15 - 7,419 d5 7,6 716 80,085 1 9 - 77, 0 r17 - 00 ho = 5,4 rls = 87,6 rlv = 423,0

Claims

PATENTANSPRÜCHE: i. Zur Erzeugung eines wenigstens angenähert geradlinigen Bildes einesLeuchtspaltes bestimmtes optisches System mit zwei an Luft grenzenden Flächen,. bei welchen die Hauptkrümmungen konstant sind, welche in denjenigen Hauptnormalschnitten gemessen werden, -die zu der durch den Leuchtspalt und sein Bild bestimmten Ebene senkrecht sind, dadurch gekennzeichnet, daß der geometrische Ort der zu den genannten Hauptnormalschnitten gehörenden Krümmungsmittelpunkte wenigstens bei einer der beiden Außenflächen (c) eine gekrümmte Linie und bei beiden Außenflächen so gewählt ist, daß eine ebene scharfe Abbildung in denjenigen Hauptnormalschnitten erfolgt, welche auf der durch den Leuchtspalt (a) und sein Bild (b) bestimmten Ebene senkrecht stehen.
2. Optisches System nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Brechkraft, welche durch die Krümmung in denjenigen Hauptnormalschnitten bestimmt ist, die zu der durch den Leuchtspalt und sein Bild bestimmten Ebene senkrecht sind, bei der einen Außenfläche (d) gegenüber der entsprechend errechneten Brechkraft bei der zweiten Außenfläche (c) sehr klein ist, während die anderen Hauptkrümmungen der Außenflächen für jeden Bildwinkel so bestimmt sind, daß die in der genannten Ebene verlaufenden Hauptstrahlen (e) wenigstens angenähert senkrecht stehen auf der zweiten Außenfläche (c).
3. Optisches System nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Außenflächen auch in der durch den Leuchtspalt und sein Bild bestimmten Ebene konstante Krümmung hat. ,
4. Optisches System nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Außenflächen als Träger des Leuchtspaltes (S, S1, S2) dient.
5. Optisches System, gekennzeichnet durch eine Kombination mehrerer Glieder nach Anspruch i, die so angeordnet sind, daß die erzeugten Spaltbilder (B, Abb. 5) stetig ,aneinanderschließen.
6. Optisches System, gekennzeichnet durch eine Kombination mehrerer Glieder nach Anspruch i, die so angeordnet sind, daß das von einem Glied erzeugte Bild (B1) jeweils als Objekt des folgenden Gliedes dient.