DE69711037T2 - Verfahren zur korrektion von fehlern in einer linse - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft optische Abbildungsvorrichtungen, auch Objektive genannt, die beispielsweise zu Bildaufnahmegeräten oder Kameras gehören und Bilder in einem weiten Spektralbereich liefern (weißes Licht).
• Gemäß dem derzeitigen Stand der Technik bestehen diese Objektive aus einer Folge von zentrierten sphärischen Linsen, die aus verschiedenen im betreffenden Spektralbereich lichtdurchlässigen Materialien zusammengesetzt sind, beispielsweise aus Glas für die Wellenlängen des sichtbaren Lichts oder aus Germanium, Silizium oder anderen Metalloiden für den nahen Infrarotbereichs.
• Gemäß dem Fachmann bekannten Verfahren sind diese verschiedenen Linsen zur Erzeugung eines Abbildungsobjektivs aneinander angepaßt und bestehen aus Materialien mit Streueigenschaften, die so ausgewählt sind, daß die chromatischen Verzerrungen in Längsrichtungen, die von einer Abhängigkeit der Brennweite des Objektivs von der Wellenlänge herrühren, möglichst gut korrigiert werden. Dadurch erhält man eine sogenannte Faltung des Spektrums.
• Weiter korrigiert man gemäß dem Fachmann bekannten Methoden auch die Aberration der Öffnung, die auf der Achse die sphärische Aberration ist, mithilfe dreier Verfahren: Entweder kombiniert man eine ausreichende Anzahl von sphärischen Linsen oder man verwendet eine oder mehrere nichtsphärische Oberflächen oder man verwendet schließlich Materialien mit einem Gradienten des Brechungsindex. So ergibt sich eine Korrektur für eine zentrale Wellenlänge.
• Ein Nachteil ist jedoch die erhebliche und störende Abhängigkeit der sphärischen Aberration von der Wellenlänge, oder aber, was auf dasselbe hinausläuft, der chromatischen Aberration von der Öffnung. Dieses Phänomen bildet den Sphäro-Chromatismus.
• Dieses Phänomen wird für ein Infrarot-Objektiv, bestehend aus einem Silizium/Germanium-Paar, dessen Konstruktionsparameter durch die Tabelle 1 definiert sind, Tabelle 1
• durch die Kurve sphäro-chromatischen Aberration in Längsrichtung gemäß Fig. 1 verdeutlicht. In diesen Kurven entspricht die waagrechte Achse der optischen Achse der Linse und die senkrechte Achse einer Achse senkrecht zur optischen Achse der Linse. Auf dieser senkrechten Achse sind der Wert des Radius der Pupille aufgetragen, die sich vor diesem Paar im Verlauf des optischen Pfads befindet. Für einen Pupillenradius gleich null liefert die Kurve den Wert des Rest-Chromatismus in Längsrichtung, also 7 um in dem gewählten Beispiel. Für einen bestimmten Radius der Pupille erhält man eine maximale Aberration, also ein sphärische Rest-Aberration von 17 um gemäß Fig. 1. Schließlich stellt man für einen maximalen Radius der Pupille, d. h. für die vollständige Öffnung, fest, daß die Strahlung mit der größten Wellenlänge von 5 um hinsichtlich der spärischen Aberration exakt korrigiert ist, ebenso wie die zentrale Strahlung der Wellenlänge von 4 um. Bei voller Öffnung unterliegt jedoch die Strahlung mit der kürzesten Wellenlänge von 3 um einer Aberration in Längsrichtung von 20 um, die der Grund für die erhebliche Verschlechterung der Leistung des Objektivs bei voller Pupillenöffnung ist.
• Verfahren zur Abweichung von der sphärischen Form durch Materiababtrag, beispielsweise durch spanende Bearbeitung oder Ionenbeschuß, oder durch Aufbringen von Material (Abscheidung einer Schicht variabler Dicke unter Vakuum gemäß dem französischen Patent 7806422, angemeldet am 7. März 1978 von der Anmelderin) sind bekannt, aber hinsichtlich des Chromatismus unwirksam.
• Ebenfalls sind Verfahren bekannt, mit denen ein Gradient des Brechungsindex erhalten wird, und zwar in radialer oder in Längsrichtung, beispielsweise durch Ionendiffusion, wie dies in dem US-Patent 4810070 beschrieben ist, oder durch Fusion.
• Schließlich ist aus der europäischen Patentanmeldung EP 0 241 558 ein Verfahren zur Minimierung bestimmter optischer Aberrationen einer Linse bekannt, z. B. der Koma-Aberration, indem gleichzeitig unter Vakuum zwei Stoffe unterschiedlicher Brechungsindizes in Schichtform auf eine Seite der Linse aufgebracht werden.
• Diese Stoffe besitzen jedoch bestimmte Nachteile: Ein erster Nachteil dieser Stoffe mit einem Brechungsindex- Gradienten im Fall des Verfahrens mithilfe einer Ionendiffusion beruht darauf, daß die Anzahl der Stoffe, die diffundiert werden können, aufgrund der mangelnden physiko-chemischen Kompatibilität beschränkt ist.
• Ein zweiter Nachteil dieser Stoffe liegt im Fall des Verfahrens durch aufeinanderfolgendes Stapeln von verschiedenen Gläsern in den Streueffekten aufgrund der thermischen Ausdehnung, was die Verwendung von Gläsern unterschiedlicher chemischer Klassen und praktisch jeden Nutzeffekt hinsichtlich der Korrektur der Chromatismus-Aberrationen ausschließt.
• Die vorliegende Erfindung schlägt vor, die erwähnten Nachteile zu beheben. Hierzu ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zur Minimierung der sphärischen Aberration und des Sphäro-Chromatismus einer Linse gemäß der Definition in Anspruch 1.
• Die gebildete Schicht wird aufgrund der unterschiedlichen Dicke mit einer bestimmten Brechungsleistung versehen. Außerdem besitzt sie eine Wirkung auf den Sphäro- Chromatismus am Rand,(d. h. bei voller Blendenöffnung), da die Stoffe dieser Schicht variieren und diese Variation zu einer Veränderung der Brechungs- und Streu-Eigenschaften führt, wenn man vom Zentrum zum Rand fortschreitet. In diesem Text beziehen sich Begriffe wie Streu-Eigenschaften, Streuung, Streuungsgradient auf das Gesetz der Veränderung des Brechungsindex abhängig von der Wellenlänge.
• Andere Merkmale und Vorzüge der Erfindung werden nun anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
• Fig. 1 zeigt die Kurven der spärischen Aberrationen in Längsrichtung für ein Silizium/Germaniumpaar gemäß dem Stand der Technik.
• Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Aufbringen einer Schicht mit einem Streugradienten.
• Fig. 3 zeigt das Aufbringen einer erfindungsgemäßen Schicht mit Streugradient auf eine Linse.
• Fig. 4 zeigt eine erfindungsgemäße Operation, die es erlaubt, die dioptische Leistung der Linse zu erhalten.
• Fig. 5 zeigt Kurven für die spärischen Aberrationen in Längsrichtung für ein Silizium/Germanium-Paar, das erfindungsgemäß gebildet wurde.
• Fig. 2 zeigt eine Vorrichtung, wie sie für das Aufbringen einer Schicht mit Streugradient verwendet wird. Eine so beschichtete Linse 2, die in diesem Fall bereits eine Schicht 3 enthält, die nach einem Verfahren zur Verdampfung unter Vakuum aufgebracht wurde, befindet sich in einer Vakuumglocke 1. Zwei Tiegel 4 und 5 enthalten Stoffe 6, 7 unterschiedlicher chromatischer Streueigenschaften und befinden sich unterhalb von zwei Öffnungsmasken 8, 9, die um Achsen 10, 11 schwenken können.
• Im Verlauf des Wachstums der Schicht variiert deren Zusammensetzung aufgrund der kontrollierten Bewegungen der beiden Masken, die durch Schwenken um ihre Achsen die Verdampfungsquellen mehr oder minder abdecken. Die Bewegungen der beiden Masken bestimmen den Fluß des zur Linse diffundierenden Stoffs. Diese Masken können die Tiegel ganz freilegen oder auch ganz abdecken. So ist der Benutzer frei, in jedem Augenblick eine Mischung auf die Linse aufzubringen, deren Anteil an jedem Stoff zwischen zwei Extremwerten variieren kann, nämlich von einem reinen ersten Stoff bis zu einem reinen zweiten Stoff. Zwischen diesen beiden Extremwerten kann die Mischung von einem beliebigen Mischungsverhältnis dieser beiden Stoffe bestimmt sein.
• Nach dem Aufbringen dieser Schicht bedeckt man eine Linse 2, wie sie in Fig. 3 zu sehen ist, in der den Elementen in Fig. 2 entsprechende Elemente die gleichen Bezugszeichen tragen, mit einer Streugradientenschicht, deren optische Eigenschaften in Richtung der Quellen einen Gradienten besitzen, also in einer Richtung, die der Senkrechten zur Fläche der Linse nahekommt. Dieser Gradient wird sphärisch genannt, da die Schicht 3 mit Streugradient aus konzentrischen Kugeln besteht.
• Hinsichtlich der Dicke dieser Schicht werden keine Angaben gemacht, da die vorliegende Erfindung sich nicht auf die sogenannten "dünnen" Schichten beschränkt, bei denen man im allgemeinen an eine Dicke von etwa einer Wellenlänge denkt und die nur eine Interferenzfunktion besitzen. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Schicht mit Streugradient eine beliebige Dicke haben. In diesem Stadium des Verfahrens entspricht die Schicht mit Streugradient einem Blättchen mit parallelen oder konzentrischen Flächen.
• Fig. 4, in der den Elementen in Fig. 2 und Fig. 3 entsprechende Elemente die gleichen Bezugszeichen tragen, zeigt den zweiten Teil eines Verfahrens, der nicht zur Erfindung gehört. Die Darstellung betrifft eine Operation, mit der man eine dioptrische Leistung der Schicht mit Streugradient durch Polieren und Abtrag von Material 12 erreichen kann. Der Bereich der Schicht mit Streugradient, der auf der Linse 2 verbleibt, hat also die Form eines Meniskus 3 im Fall einer Linse mit konkaver Oberfläche. Man spricht dann von einer dioptrischen Schicht mit Streugradient.
• In der erfindungsgemäßen Ausführungsform ergibt sich eine dioptrische Schicht mit Streugradient durch eine zusätzliche Maskierung in Höhe der Linse beim Aufbringen der Schicht (Maskierung des Felds) gemäß dem insbesondere in dem oben erwähnten Patent beschriebenen Verfahren, bei dem sich eine Schicht mit variabler Dicke in Echtzeit ergibt.
• Um den entscheidenden Vorteil, der sich durch eine so erhaltene dioptrische Schicht mit Brechungsindexgradient ergibt, besser zu verstehen, zeigt Fig. 5 Kurven der sphärische Aberrationen in Längsrichtung für ein Silizium/Germanium-Paar, dem eine dioptrische Schicht mit Indexgradient gemäß der Erfindung angefügt wurde. Die Zusammensetzung der dioptrischen Schicht mit Indexgradient variiert linear über eine Dicke von 55 um von Zinksulfid zu Zinkselenid, wie dies aus der nachfolgenden Tabelle hervorgeht, die die Konstruktionswerte der Linse in der endgültigen Ausführung enthält. Tabelle 2
• Man muß Kurven dieser Fig. 5 mit den in Fig. 1 dargestellten Kurven vergleichen, die das Silizium/Germaniumpaar gemäß dem Stand der Technik charakterisieren. Die verbleibende sphärische Aberration ist deutlich vermindert, und der Sphäro-Chromatismus verringert sich bei voller Blendenöffnung zwischen den beiden Grenzwellenlängen von 3 um und 5 um auf 10 um anstelle von 20 um.
• Das industrielle Resultat dieser dioptrischen Schicht mit Indexgradient besteht in der praktisch vollständigen Beseitigung der verbleibenden sphärischen Aberration und der Halbierung des Sphäro-Chromatismus.

Claims (3)

1. Verfahren zur Minimierung der sphärischen Aberration und des Sphäro-Chromatismus einer Linse (2) durch Aufbringen einer Schicht (3) auf eine Seite der Linse (2), dadurch gekennzeichnet, daß das Aufbringen durch gleichzeitiges Abscheiden unter Vakuum von zwei Stoffen (6, 7) erfolgt, die aufgrund ihrer unterschiedlichen Eigenschaften der Farbstreuung ausgewählt werden, daß die relativen Anteile der beiden Stoffe während des Aufbringens eingestellt werden und daß eine geeignete Maskierung der Linse während des Aufbringens die Dicke der Schicht (3) auf kontrollierte Art moduliert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufbringen unter Vakuum durch Verdampfung, Partikelbeschuß oder Pulverisierung erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufbringen der Schicht durch Verdampfung im Vakuum geschieht, während der der relative Anteil der beiden Stoffe durch die kontrollierte Bewegung einer ersten und einer zweiten Maske eingestellt wird, die je einen Stoff abdecken, und daß eine dritte, drehende Maske die Linse abdeckt und die Modulation der Dicke der aufgebrachten Schicht durch eine geeignete Steuerung der Bewegung dieser Maske zu erhalten erlaubt.