CH320399A

CH320399A - Optical system

Info

Publication number: CH320399A
Authority: CH
Inventors: Albert Dr Bouwers
Original assignee: Optische Ind De Oude Delft Nv
Priority date: 1952-09-12
Filing date: 1953-09-11
Publication date: 1957-03-31

Description

Systeme optique Les systemes optiques centr6s, vonnus jus- qu'ä present, se composent d'616ments ä surfa- ces sph6riques concaves, planes ou convexes; dans ces derniers temps, cependant, an emploie aussi des elements ä surfaces asph6riques dune forme plus ou moins compliquee. Ces surfaces asph6riques sont difficiles ä realiser et les re- sultats obtenus en pratique avec ces elements d6pendent de la mesure dans laquelle an r6alise dans la fabrication la forme theoriquement id6ale. Optical system The centered optical systems known so far consist of elements with concave, flat or convex spherical surfaces; in recent times, however, he also employs elements with aspherical surfaces of a more or less complicated shape. These aspherical surfaces are difficult to achieve and the results obtained in practice with these elements depend on the extent to which they achieve the theoretically ideal shape in manufacture.

La pr6sente invention concerne un systeme optique centr6 dopt 1'aberration sph6rique est corrig6e. Suivant 1'invention, le systeme est ca- racteris6 en ce qu'il comporte au moins un 616ment centr6 par rapport ä laxe optique, qui presente au moins une surface en forme d'un cöne circulaire, conformee et dispos6e de fagon ä corriger 1'aberration sph6rique resultant du reste du systeme. La surface conique, r6frin- gente ou r6flechissante, peut 6ventuellement se composer de plusieurs zones concentriques de conicites differentes. Lautre surface ou, dans 1e cas oü 1'616ment est compos6 de deux lentil- les, les autres surfaces de 1'61ement peut ou peuvent avoir une forme plane, concave ou convexe et, dans des cas particuliers, une forme asph6rique. Dans la pr6sente description, la revendication et les sous-revendications, an d6 signera cet element par Element conique . L'effet obtenu par un tel 616ment conique est bas6 sur un principe inconnu jusqu'ici qu'on va d6crire en regard du dessin annex6, qui re- presente, ä titre d'exemple, deux sch6mas et plusieurs formes d'ex6cution de systemes opti- ques suivant 1'invention. The present invention relates to a centered optical system with spherical aberration corrected. According to the invention, the system is characterized in that it comprises at least one element centered with respect to the optical axis, which has at least one surface in the form of a circular cone, conforming and disposed so as to correct 1 spherical aberration resulting from the rest of the system. The conical surface, refractive or reflecting, can optionally be composed of several concentric zones of different conicities. The other surface or, in the case where the element is composed of two lenses, the other surfaces of the element may or may have a planar, concave or convex shape and, in particular cases, an aspherical shape. In the present description, the claim and the sub-claims, an d6 will sign this element by Element conique. The effect obtained by such a conical element is based on a hitherto unknown principle which will be described with reference to the appended drawing, which represents, by way of example, two diagrams and several forms of execution of systems. optics according to the invention.

Dans la fig. 1, la courbe 1 represente, de la fagon usuelle, 1'aberration spherique (Tun sys- teme optique sous-corrig6, exprim6e par la d6- viation transversale dans 1e plan d'ajustage par- axial en fonction de la hauteur d'incidence h. Dans la fig. 2, 1'aberration spherique d'un simple miroir concave sph6rique est represen- tee par la courbe 11. Les fig. 3, 4 et 5 representent sch6matique- ment quelques formes d'execution de systemes optiques suivant 1'invention, oü les 616ments coniques 1, 4 et 6 respectivement sont visi- bles. In fig. 1, curve 1 represents, in the usual way, the spherical aberration (Tun undercorrected optical system, expressed by the transverse deviation in the plane of paraxial adjustment as a function of the height of incidence h. In Fig. 2, the spherical aberration of a simple spherical concave mirror is represented by curve 11. Figs. 3, 4 and 5 represent schematically some forms of execution of optical systems according to 1 invention, where the conical elements 1, 4 and 6 respectively are visible.

Les fig. 6 et 7 representent, l'une un systeme optique comportant une surface conique r6fle- chissante, et 1'autre un arrangement dann le- quel 1'objet est proche de 1'616ment conique. Figs. 6 and 7 represent, one an optical system comprising a conical reflective surface, and the other an arrangement in which the object is close to the conical element.

La fig. 1 repr6sente la courbe d'aberration 1 et la ligne droite A'B'. RTI ID="0001.0267" WI="8" HE="4" LX="1471" LY="2126"> Cette derniere indi- que un plan d'ajustage qui devie du plan d'ajustage paraxial. 0r, 1'e16ment conique a pour effet qu'en cas d'ajustage ä un plan repre- sente par A'B', des aberrations se produisent dans ce plan d'ajustage, aberrations qu'on peut ddriver des deviations de la courbe 1 par rap- port ä une ligne AB, approximativement paral- 1Me ä AB'. Ceci est comprehensible en consi- d6rant que Feffet de 1'element conique est une deviation constante ou approximativement constante dann 1e sens de sous-correction, de Sorte que la courbe d'aberration se deplace pa- rallelement en haut dans la direction de Faxe des ordonnees. La lentille conique augmente dune valeur constante ou sensiblement cons- tante toutes les aberrations produites dans 1e plan paraxial, mais elle les reduit dans 1e plan d'ajustage A'B' jusqu'aux valeurs qui resultent de la deviation de la courbe 1 par rapport ä la ligne AB. fig. 1 represents the aberration curve 1 and the straight line A'B'. RTI ID="0001.0267" WI="8" HE="4" LX="1471" LY="2126"> This indicates a trim plane that deviates from the paraxial trim plane. However, the conical element has the effect that when fitted to a plane represented by A'B', aberrations occur in this fitting plane, aberrations which can be derived from deviations of the curve 1 with respect to a line AB, approximately parallel to AB'. This is understandable considering that the effect of the conical element is a constant deviation or approximately constant in the direction of undercorrection, so that the aberration curve moves parallel upwards in the direction of the ordinate. The conical lens increases by a constant or substantially constant value all the aberrations produced in the paraxial plane, but it reduces them in the adjustment plane A'B' up to the values which result from the deviation of the curve 1 from at line AB.

La fig. 1 montre, en outre, que la Partie de la courbe I qui est situee pres de laxe, et qui se rapporte done ä la Partie centrale du fais- ceau lumineux, presente des aberrations relati- vement grandes. C'est pourquoi an absorbe les rayons diriges Sur cette Partie de preference par couverture, laquage ou autre traitement de 1'un des eldments optiques, par exemple de 1'ele- ment conique. La Partie centrale a naturelle- ment une superficie plus petite qu'une Partie de meine longueur de laxe des abscisses qui est situee plus loin de Faxe optique, puisqu'un an- neau dune certaine largeur a une superficie beaucoup plus grande qu'un cercle, dopt le dia- metre est egal ä la largeur de Fanneau. fig. 1 further shows that the part of curve I which is situated near the axis, and which therefore relates to the central part of the light beam, presents relatively large aberrations. This is why an absorbs the rays directed onto this part preferably by covering, lacquering or other treatment of one of the optical elements, for example of the conical element. The central part naturally has a smaller area than a part of the same length of the abscissa axis which is located farther from the optical axis, since a ring of a certain width has a much larger area than a circle. , where the diameter is equal to the width of the ring.

0n a decrit ei-haut 1'effet de 1'element co- nique pour 1e cas de son emploi dans un Sys teme optique qui, en absence dudit element, presente une sous-correction. 0n utilisera cet dlement, de prefdrence, dans un tel Systeme. Cependant, dans des cas particuliers, an peut aussi appfiquer 1e meine principe ä un systeme surcorrige, dans lequel la correction desiree est obtenue ä Faide d'un 616ment conique. Il y a interet ä disposer 1'element conique ou les elements coniques dans 1e plan du dia- phragme du systeme optique ou en voisinage de ce plan. Ort obtient ainsi une correction qui peut etre excellente, meine pour de grands champs d'image. L'element conique peut etre achromatise, de preference, par combinaison de deux len- tilles coniques simples, qui sont fabriquees en matieres ä dispersions differentes. The effect of the conical element has been described above for the case of its use in an optical system which, in the absence of said element, presents an under-correction. We will use this element, preferably, in such a System. However, in special cases, the same principle can also be applied to an overcorrected system, in which the desired correction is obtained using a conical element. There is an advantage in arranging the conical element or the conical elements in the plane of the diaphragm of the optical system or in the vicinity of this plane. Ort thus obtains a correction which can be excellent, even for large image fields. The conical element can be achromatized, preferably, by combining two simple conical lenses, which are made of materials with different dispersions.

Ort peut fabriquer les eldments coniques en une matiere qu'on peut travailler facilement - par exemple une resine synthetique trans parente - ä Faide d'un tour de precision du type ordinaire. Ort can fabricate the conical elements from a material which can be easily worked - for example a transparent synthetic resin - using a precision lathe of the ordinary type.

Dans la fig. 2, la courbe RTI ID="0002.0273" WI="3" HE="4" LX="1623" LY="602"> 1I represente 1'aberration d'un simple miroir concave sph6ri- que sans 1'emploi d'un element conique. La deviation de la courbe 11 par rapport ä la ligne PQ represente les aberrations en presence d'un 616ment conique, mesurees dans 1e plan d'ajus- tage qui est represente par la ligne droite P'Q'. Ort voit de nouveau que les aberrations sont fort rdduites pour la zone NM, qui occupe ä peu pres les trois quarts de la superficie totale. Les aberrations sont sensiblement plus faibles que celles pour 1e plan d'ajustage optimum (en- viron suivant la ligne pointillee OL) en Fab- sence de 1'eldment conique. In fig. 2, the curve RTI ID="0002.0273" WI="3" HE="4" LX="1623" LY="602"> 1I represents the aberration of a simple spherical concave mirror without the use of a conical element. The deviation of the curve 11 from the line PQ represents the aberrations in the presence of a conical element, measured in the plane of adjustment which is represented by the straight line P'Q'. Ort sees again that the aberrations are greatly reduced for the zone NM, which occupies about three quarters of the total surface. The aberrations are significantly lower than those for the optimum fit plane (approximately along the dotted line OL) in the absence of the tapered element.

La fig. 3 represente un systeme optique, comportant 1'element conique 1, dispose de maniere centree par rapport ä laxe optique du reste du systeme, qui est constitud par la len- tille positive 2 et la lentille negative 3. fig. 3 represents an optical system, comprising the conical element 1, arranged in a centered manner with respect to the optical axis of the rest of the system, which is constituted by the positive lens 2 and the negative lens 3.

La fig. 4 represente un autre systeme opti- que, comportant un 616ment conique 4 et un Beul miroir concave spherique 5. L'element co- nique 4 corrige les aberrations du miroir 5 de la fagon representee Sur la fig. 2. F indique la surface d'image paraxiale et F indique la sur- face d'ajustage. 0n obtient ainsi un Systeme optique extremement simple ä grande ouver- ture relative, qu'on peut fabriquer de maniere simple. fig. 4 represents another optical system, comprising a conical element 4 and a spherical concave mirror 5. The conical element 4 corrects the aberrations of the mirror 5 in the way represented in FIG. 2. F indicates the paraxial image surface and F indicates the trim surface. There is thus obtained an extremely simple optical system with a large relative aperture, which can be manufactured in a simple manner.

Le systeme optique representd ä la fig. 5 comporte la lentille conique -6, centree par rap- port au Systeme optique comprenant 1e miroir 7 et la lentille correctrice menisque 8 concen- trique par rapport au miroir. Le rayon r3 du miroir est de 226,1 mm, les rayons r1 et r. de la lentille menisque sont de 75,2 et 95,7 mm respectivement. La lentille conique 6 presente une surface plane et 1'inclinaison de la section du cône est d'environ 1 : 150. La surface d'ajustage F' est convexe. The optical system represented in FIG. 5 comprises the conical lens -6, centered with respect to the optical system comprising the mirror 7 and the corrective meniscus lens 8 concentric with the mirror. The radius r3 of the mirror is 226.1 mm, the radii r1 and r. of the meniscus lens are 75.2 and 95.7 mm respectively. The conical lens 6 has a flat surface and the inclination of the cone section is approximately 1:150. The fitting surface F' is convex.

Le système optique, à part la lentille coni que 6, est un système concentrique comme dé crit dans le brevet suisse No 255151. Les aber rations sont encore représentées en principe par les déviations de la courbe 1 par rapport à la ligne droiteAB (fig. 1). The optical system, apart from the conical lens 6, is a concentric system as described in Swiss patent No. 255151. Aberrations are still represented in principle by the deviations of the curve 1 from the straight line AB (Fig. 1).

On a trouvé que des aberrations de moins de 60 #t s'obtiennent dans un système optique suivant la fig. 5 à ouverture relative de 1 : 0.7 avec une distance focale de 100 mm. It has been found that aberrations of less than 60 µt are obtained in an optical system according to fig. 5 with a relative aperture of 1:0.7 with a focal length of 100 mm.

Dans les systèmes optiques représentés dans les fig. 3, 4 et 5, la partie centrale de l'élément conique est couverte par une plaque opaque a. In the optical systems shown in Figs. 3, 4 and 5, the central part of the conical element is covered by an opaque plate a.

Les lentilles coniques 1, 4 et 6 possèdent chacune une surface plane et une surface co nique. The conical lenses 1, 4 and 6 each have a flat surface and a conical surface.

Une variante extrêmement simple du sys tème est constituée par une seule lentille à une surface sphérique et à une surface conique. On emploie une telle lentille, par exemple, comme condenseur. Comme son ouverture relative doit être maximum, il y a intérêt que la partie cen trale de la surface conique soit faite plane ou convexe, de façon à permettre à la lumière de passer. An extremely simple variant of the system consists of a single lens with a spherical surface and a conical surface. Such a lens is used, for example, as a condenser. As its relative opening must be maximum, it is advantageous for the central part of the conical surface to be made flat or convex, so as to allow light to pass.

Jusqu'ici, on a décrit presque exclusive ment des éléments coniques présentant des sur faces réfringentes. Cependant, pour plusieurs applications, il y a lieu de décrire d'autres sys tèmes présentant une ou plusieurs surfaces coniques réfléchissantes qui sont également en forme de cône circulaire à génératrice recti ligne. Up to now, conical elements having refracting surfaces have been described almost exclusively. However, for several applications, it is appropriate to describe other systems having one or more reflective conical surfaces which are also in the form of a circular cone with a straight generatrix.

Les avantages particuliers obtenus ainsi sont les suivants 1. La surface conique réfléchissante est com plètement exempte d'aberrations chroma tiques ; 2. Pour le même angle d'inclinaison, la dé viation est environ quatre fois celle d'une surface conique de réfraction, de sorte qu'un angle d'inclinaison quatre fois plus petit suffit à obtenir une même déviation désirée, ce qui simplifie la fabrication de la surface. On peut utiliser une surface conique réflé chissante de différentes manières dans de nom breux systèmes. Nous voulons nous restreindre ici à donner un seul exemple qui est représenté sur la fig. 7 du dessin annexé. The particular advantages thus obtained are the following: 1. The conical reflective surface is completely free of chromatic aberrations; 2. For the same angle of inclination, the deviation is about four times that of a conical surface of refraction, so that an angle of inclination four times smaller is enough to obtain the same desired deviation, which simplifies surface fabrication. A reflective conical surface can be used in different ways in many systems. We want to restrict ourselves here to giving a single example which is represented in fig. 7 of the accompanying drawing.

Le système optique se compose d'une len tille correctrice C à surfaces 9 et 10, d'un mi roir concave sphérique à surface réfléchissante 11 et d'une surface conique réfléchissante 12. Les rayons de lumière incidents passent d'abord par la lentille correctrice C et sont en suite concentrés, après réflection, par les sur faces réfléchissantes 11 et 12, au foyer F. The optical system consists of a corrective lens C with surfaces 9 and 10, a spherical concave mirror with a reflecting surface 11 and a conical reflecting surface 12. The incident rays of light first pass through the lens corrector C and are then concentrated, after reflection, by the reflecting surfaces 11 and 12, at focus F.

Les rayons de courbure des surfaces con centriques 9, 10 et 11 sont de 83,2, 97,7 et 213,8 mm respectivement. L'épaisseur de la lentille correctrice C est de 14,5 mm et la dis tance entre les surfaces 10 et 11 est de 116,1 mm. La surface conique 12 est prévue à une distance de 65,8 mm de la surface réflé chissante 11, tandis que le foyer F se trouve à une distance de 17,8 mm de la surface 11. Le correcteur C est fabriqué en verre à nD=1,517 ; sa valeur de dispersion est de 64,2. La distance focale du système entier est de 100 mm et l'ou verture relative est de 1 : 0,9. The radii of curvature of the concentric surfaces 9, 10 and 11 are 83.2, 97.7 and 213.8 mm respectively. The thickness of the corrective lens C is 14.5 mm and the distance between the surfaces 10 and 11 is 116.1 mm. The conical surface 12 is provided at a distance of 65.8 mm from the reflecting surface 11, while the focus F is at a distance of 17.8 mm from the surface 11. The corrector C is made of nD glass =1.517; its dispersion value is 64.2. The focal length of the whole system is 100 mm and the relative aperture is 1:0.9.

La moitié de l'angle au sommet de la sur face conique 12 est de 89 56' 30", c'est-à-dire que le miroir conique ne dévie que de 3' 30" d'un miroir plan. L'emploi du miroir conique 12, qu'on peut fabriquer d'une manière relati vement simple, permet d'obtenir un pouvoir résolvant, qui est environ trois fois plus grand que celui d'un système à correction optimum, qui comporte également un correcteur C et une surface concave réfléchissante 11, mais qui pré sente un miroir secondaire plan. On obtient ce résultat sans introduire d'astigmatisme ni d'aberration chromatique. Half the apex angle of the conical surface 12 is 89 56' 30", i.e. the conical mirror deviates only 3' 30" from a plane mirror. The use of the conical mirror 12, which can be manufactured in a relatively simple manner, makes it possible to obtain a resolving power which is approximately three times greater than that of an optimum correction system, which also comprises a corrector C and a concave reflecting surface 11, but which has a plane secondary mirror. This result is obtained without introducing astigmatism or chromatic aberration.

Pour des raisons de fabrication, il est sou vent désirable de munir le miroir conique 12 d'une ouverture centrale ; dans ce cas on pré voit; de préférence, une plaque opaque a. For manufacturing reasons, it is often desirable to provide the conical mirror 12 with a central opening; in this case we foresee; preferably an opaque plate a.

En outre, il y a dans beaucoup de cas inté rêt à munir le miroir 11 d'une ouverture cen trale, afin de rendre facilement accessible la surface d'image F. Pour finir, un système optique, destiné à produire des images d'objets situés dans le fini, sera décrit. In addition, there is in many cases an interest in providing the mirror 11 with a central opening, in order to make the image surface F easily accessible. Finally, an optical system, intended to produce images of objects located in the finite, will be described.

En effet, cet emploi du système donne, en général, lieu à l'inconvénient que les rayons de lumière émanant d'un point de la périphérie du champ frappent la lentille conique sous des angles différents, de sorte que la déviation des divers rayons lumineux n'est plus constante. On peut remédier à cet inconvénient, en pré voyant dans le système une lentille conique à deux surfaces coniques, dont l'une, concave, se trouve en face de l'objet. On peut alors choi sir l'inclination de la surface conique située du côté de l'objet de façon à ce que, pour une dis tance déterminée et une largeur déterminée de l'objet, les rayons de lumière dirigés de la pé riphérie de la surface de l'objet vers la zone supérieure et la zone inférieure respectivement de la lentille conique frappent celle-ci sous des angles sensiblement égaux. Indeed, this use of the system generally gives rise to the disadvantage that the rays of light emanating from a point on the periphery of the field strike the conical lens at different angles, so that the deviation of the various light rays is no longer constant. This drawback can be remedied by providing in the system a conical lens with two conical surfaces, one of which, concave, is located opposite the object. One can then choose the inclination of the conical surface located on the side of the object so that, for a determined distance and a determined width of the object, the rays of light directed from the periphery of the surface of the object towards the upper zone and the lower zone respectively of the conical lens strike the latter at substantially equal angles.

La lentille conique 13 de la fig. 6 est cons tituée par deux surfaces coniques, - dont l'une, concave, se trouve en face de l'objet PQ. Les rayons lumineux1 et m émanant du pointQ de la périphérie de l'objet et passant par les points L et M de la lentille conique 13, frap pent la face concave sous des angles a et (3, dont la différence est plus petite qu'elle ne le serait entre des angles correspondants si les rayons frappaient la surface plane d'une len tille conique, comme elles sont représentées dans les fig. 3, 4 et 5. The conical lens 13 of FIG. 6 is constituted by two conical surfaces, one of which, concave, is opposite the object PQ. The light rays1 and m emanating from the pointQ of the periphery of the object and passing through the points L and M of the conical lens 13, strike the concave face at angles a and (3, the difference of which is smaller than it would be between corresponding angles if the rays struck the plane surface of a conical lens, as shown in Figs. 3, 4 and 5.

Claims

CLAIM Centered optical system whose spherical aberration is corrected, characterized in that it comprises at least one element centered with respect to the optical axis, which has at least one surface in the form of a circular cone, shaped and arranged so as to correct the spherical aberration resulting from the rest of the system. SUB-CLAIMS 1. Optical system according to claim, characterized in that it comprises a spherical concave mirror and a conical element.

2. Optical system according to sub-claim 1, characterized in that the conical element is arranged at least approximately at the center of curvature of the concave mirror.

3. Optical system according to claim, characterized in that it comprises a spherical concave mirror, a correction element comprising at least one meniscus lens which is concave towards the center of curvature of the spherical concave mirror, and a conical element.

4. Optical system according to claim, characterized by means by which the rays directed onto the central part of the conical surface element are absorbed.

5. Optical system according to claim, characterized in that the conical surface element is an achromatized lens.

6. Optical system according to claim, characterized in that the conical surface element is achromatized and consists of two simple conical lenses made of materials with different dispersions.

7. Optical system according to claim, characterized in that it comprises a simple lens, one face of which is spherical and the other conical.

8. Optical system according to claim, characterized in that it comprises a main concave mirror and a secondary mirror, the latter having a conical shape.

9. Optical system according to claim, characterized in that it comprises a conical lens with two conical surfaces, one of which, concave, is on the object side.