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Dokumentenidentifikation DE3421705A1 24.04.1986
Titel Abtastobjektiv mit einem Hologramm
Anmelder Weingärtner, Ingolf, Dr., 3300 Braunschweig, DE
Erfinder Weingärtner, Ingolf, Dr., 3300 Braunschweig, DE
Vertreter Münich, W., Dipl.-Phys. Dr.rer.nat., Pat.-Anw.; Schiller, W., Dr., Rechtsanw., 8000 München
DE-Anmeldedatum 12.06.1984
DE-Aktenzeichen 3421705
Offenlegungstag 24.04.1986
Veröffentlichungstag im Patentblatt 24.04.1986
IPC-Hauptklasse G02B 13/24
IPC-Nebenklasse G02B 5/32   

Beschreibung[de]

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Abtastobjektiv mit mindestens einem Linsenelement mit sphärischen Flächen und einem Hologramm gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein derartiges Abtastobjektiv ist aus dem Artikel "Holographic Video Disk and Laserscanning Optics" in SPIE Vol.

396 - Advances in Laserscanning and Recording, S. 173ff bekannt. Das dort vorgestellte Objektiv weist eine plankonvexe Linse auf, deren Planfläche ein Hologramm zur Korrektur der sphärischen und chromatischen Aberration trägt. Mit diesem Hologramm lassen sich die Abbildungsfehler nur in einem Bereich um die optische Achse mit einem Radius von weniger 10 um korrigieren. Außerhalb dieses Bereichs werden die Abbildungsfehler und insbesondere die Koma zu groß, als daß das bekannte holographische Abbildungssystem beispielsweise für CD-Spieler verwendet werden könnte, deren Abtastobjektive ein Bildfeld mit einem Druchmesser von einigen 100 um benötigen.

Es ist weiterhin bekannt, daß holographische Abbildungselemente eine große Koma haben. Damit ist anzunehmen, daß ausgehend von einem Objektiv gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 eine Korrektur der geometrischen Bildfehler für ein endliches Bildfeld nur sehr schwer zu erzielen sein dürfte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Abtastobjektiv gemäß dem Obrbegriff des Anspruchs 1 derart auszubilden, daß die Abbildungsfehler für ein vergrößertes Bildfeld mit einem Durchmesser von einigen 100 um über einen endlichen Spektralbereich von mindestens 10 nm praktisch beugungsbegrenzt korrigiert sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Objektiv werden die sphärischen und chromatischen Abbildungsfehler im wesentlichen durch das Hologramm korrigiert, während die durch das Hologramm nicht korrigierbare Koma durch eine geeignete Durchbiegung der Linse auf einen praktischen vernachlässigbaren Wert reduziert wird. Während bei dem bekannten Objektiv die dem Bildpunkt zugekehrte Fläche als Planfläche ausgebildet ist, weist die dem Bildpunkt zugekehrte Linsenfläche bei dem erfindungsgemäßen Objektiv eine sphärische Form mit einem wesentlich kleineren Krümmungsradius als "unendlich" auf.

Die Berechnung des Objektivs erfolgt iterativ mit einem ansich bekannten Optimierungsprogramm, bei dem von einer sphärischen Linse ausgegangen wird und die Krümmungsradien und das Hologramm optimiert werden. Diese Optimierung hat überraschender Weise zu einem Abtastobjektiv mit vernachlässigbarer Koma geführt, ohne daß die übrigen korrigierten und nichtkorrigierten Abbildungsfehler hierdurch erhöht werden. Anders ausgedrückt sind bei dem erfindungsgemäßen Abtastobjektiv die verschiedenen Bildfehler weitgehend "entkoppelt und können so durch die jeweils geeignetste Maßnahme reduziert werden.

Auf diese Weise kann der Radius des nutzbaren Bildfeldes auf mehr als 100 ym gesteigert werden, so daß ein einfach aufgebautes und praktisch beugungsbegrenzt korrigiertes Objektiv erhalten wird, das ein für Abtastzwecke ausreichend großes Bildfeld aufweist und somit kostengünstig und raumsparend anstelle aufwendiger Linsensysteme einsetzbar ist.

Das erfindungsgemäße Abtastobjektiv hat den weiteren Vorteil, daß das Hologramm, das insbesondere die sphärische und chromatische Aberration korrigieren soll und eine nur geringe Brechkraft hat, einfach aufgebaut und damit leicht beispielsweise aus einem Photoresist herstellbar ist.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

In den Ansprüchen 2 und 3 sind vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Objektivs gekennzeichnet, bei denen nur eine Linse verwendet wird, mit der das Hologramm verbunden ist. Da nur eine Linse und darüberhinaus kein separates Trägerelement für das Hologramm, wie beispielsweise eine planparallele Platte verwendet wird, sind die Abtastobjektive gemäß Anspruch 2 und 3 in besonderem Maße klein und leicht ausführbar, so daß beispielsweise das Nachfokussieren während des Betriebs einfach möglich ist.

Die Verwendung zweier Linsen gemäß Anspruch 4, zwischen denen das Hologramm angeordnet ist, ermöglicht ein symmetrisch aufgebautes Abtastobjektiv, das bereits ohne Hologramm keine geometrischen Bildfehler mit Ausnahme der sphärischen Aberration aufweist.

Die Verwendung eines Phasenhologramms nach Anspruch 5 erlaubt eine Beugungsausbeute von nahezu 100 % und damit eine gute Ausnutzung der Abtastlichtquelle.

In Anspruch 6 ist ein bevorzugter Aufbau des Hologramms gekennzeichnet, der eine vergleichsweise einfache Herstellung erlaubt.

Bevorzugte Daten für das Abtastobjektiv sind in Anspruch 7 angegeben.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben, in der zeigen: Fig. 1 und 2 zwei Möglichkeiten, ein Hologramm an einem Linsenelement anzubringen, Fig. 3 und 4 die Wellenaberationen des in Fig. 3 dargestellten Abtastobjektivs für verschiedene Bildwinkel, und Fig. 5 die Ortsfrequenzen im Hologramm.

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiels, bei dem ein Hologramm H in einer Linse L angeordnet ist. Die Linse ist eine Meniskuslinse, deren konkave Fläche dem Bildpunkt B zugekehrt ist.

Fig. 2 zeigt eine zweite Möglichkeit, ein Hologramm H an einem aus einer Linse L bestehenden Abtastobjektiv anzuordnen. Die Linse ist wiederum eine Meniskuslinse, auf deren konkaven, dem Bildpunkt zugekehrten Fläche das Hologramm vorgesehen ist.

Im folgenden soll ein Ausführungsbeispiel näher vorgestellt werden, bei dem das Hologramm entsprechend Fig.2 angeordnet ist. Dieses Ausführungsbeispiel hat die folgenden Daten: R1 = 4mm, R2 = 13mm, dl = lamm, n = 1 ,94mm.

Hierbei sind R1 bzw. R2 die Krümmungsradien der ersten bzw.

der dem Bildpunkt zugekehrten Fläche, dl die Linsendicke und n der Brechungsindex des Linsenmaterials.

Die Brennweite fflo des Hologramms beträgt 83 mm.

Die Fig. 3 und 4 zeigen die Wellenaberration W des in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiels mit den angegebenen Daten für den Bildwinkel 0° und den Bildwinkel 0,5°. Die dargestellten Werte sind "in-plane", also ohne Nachfokussierung auf die beste Bildschale des gekrümmten Bildfeldes für eine Abbildung "aus dem unendlichen" (Abbildungsmaßstab ß « 1).

Die nachfolgend wiedergegebene Tabelle 1 gibt die erzielte Bildgüte des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 2 wieder: D D 796 nm 792 796 nm bis 802 nm 0" 0,998 0,980 1/850 +- 0,5° 0,975 0,958 1/550 D ist die Definitionshelligkeit, die ein Maß für die Abbildungsgüte darstellt. Die Definitionshelligkeit D wird aus der optischen Übertragungsfunktion (Modulationsübertragungsfunktion) von 0 bis 1000 mm -1 gewonnen. Dabei hat die aberrationsfreie beugungsbegrenzte Abbildung den Wert D = 1. Die Verluste an Abbildungsqualität für Ortsfrequenzen bis 1000 mm-l liegen monochromatisch zwischen 0,2 und 2,5 % (ohne Nachfokussierung, also "in plane") und polychromatisch zwischen 2 und 4,2 %. Die Abbildungsqualität ist also praktisch über ein endliches Bildfeld und einen endlichen Spektralbereich, wie er beispielsweise für Halbleiterlaser benötigt wird, beugungsbegrenzt.

Die ebenfalls angegebene Größe wie W² ist ein Maß für die Abbildungsqualität. Hinsichtlich ihrer Definition wird auf die allgemeine optische Literatur verwiesen.

Fig. 5 gibt die Ortsfrequenz der Hologrammstrukturen an, wie sie bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel verwendet werden. Das Hologramm ist aus Prismen zusammengesetzt, die konzentrisch um die optische Achse angeordnet sind. Die Prismen haben dabei die im Einschub in Fig. 5 angegebene Größenordnung.

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Anspruch[de]

Abtastobjektiv mit einem Hologramm Patentansprüche 1. Abtastobjektiv mit mindestens einem Linsenelement mit sphärischen Flächen und einem Hologramm, das Abbildungsfehler des Linsenelements korrigiert, dadurch gekennzeichnet , daß zur Erweiterung des Bildfelds die sphärische und die chromatische Aberration durch die Optimierung des oder der Linsenelemente und des Hologramms und die Koma durch Optimierung des Krümmungsradius (R2) der dem Bildpunkt zugekehrten Fläche des Linsenelements korrigiert sind.

2. Abtastobjektiv nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das Hologramm (H) auf der konkaven Fläche (R2) des als Meniskuslinse ausgebildeten Linsenelements aufgebracht ist.

3. Abtastobjektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hologramm (H) innerhalb des Linsenelements angeordnet ist.

4. Abtastobjektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Linsen vorgesehen sind, zwischen denen das Hologramm (H) angeordnet ist.

5. Abtastobjektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Hologramm (H) als Phasenhologramm ausgebildet ist.

6. Abtastobjektiv nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Hologramm (H) aus Prismen zusammengesetzt ist.

7. Abtastobjektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 3, 5 oder 6, gekennzeichnet durch folgende Daten: n > 1,7 R1/R2 r1/6 Fho/Fges cr 10 wobei bedeuten: n: Brechungsindex des Linsenmaterials R1,R2: Krümmungsradien der Linsenflächen Fho: Brennweite des Hologramms Fges: Brennweite des gesamten Abtastobjektivs.







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