WO2013120800A1 - Wavefront manipulator and optical device - Google Patents

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WO2013120800A1
WO2013120800A1 PCT/EP2013/052673 EP2013052673W WO2013120800A1 WO 2013120800 A1 WO2013120800 A1 WO 2013120800A1 EP 2013052673 W EP2013052673 W EP 2013052673W WO 2013120800 A1 WO2013120800 A1 WO 2013120800A1
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WO
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optical
wavefront manipulator
optical component
free
manipulator according
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PCT/EP2013/052673
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German (de)
French (fr)
Inventor
Marco Pretorius
Original Assignee
Carl Zeiss Ag
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    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
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    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
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    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B15/00Optical objectives with means for varying the magnification
    • G02B15/14Optical objectives with means for varying the magnification by axial movement of one or more lenses or groups of lenses relative to the image plane for continuously varying the equivalent focal length of the objective
    • G02B15/16Optical objectives with means for varying the magnification by axial movement of one or more lenses or groups of lenses relative to the image plane for continuously varying the equivalent focal length of the objective with interdependent non-linearly related movements between one lens or lens group, and another lens or lens group
    • G02B15/163Optical objectives with means for varying the magnification by axial movement of one or more lenses or groups of lenses relative to the image plane for continuously varying the equivalent focal length of the objective with interdependent non-linearly related movements between one lens or lens group, and another lens or lens group having a first movable lens or lens group and a second movable lens or lens group, both in front of a fixed lens or lens group
    • G02B15/167Optical objectives with means for varying the magnification by axial movement of one or more lenses or groups of lenses relative to the image plane for continuously varying the equivalent focal length of the objective with interdependent non-linearly related movements between one lens or lens group, and another lens or lens group having a first movable lens or lens group and a second movable lens or lens group, both in front of a fixed lens or lens group having an additional fixed front lens or group of lenses
    • G02B15/17Optical objectives with means for varying the magnification by axial movement of one or more lenses or groups of lenses relative to the image plane for continuously varying the equivalent focal length of the objective with interdependent non-linearly related movements between one lens or lens group, and another lens or lens group having a first movable lens or lens group and a second movable lens or lens group, both in front of a fixed lens or lens group having an additional fixed front lens or group of lenses arranged +--

Definitions

  • the present invention relates to a wavefront manipulator having at least a first optical component and a second optical component, which are arranged one behind the other along an optical axis.
  • the invention relates to a use of the wavefront manipulator and an optical device with a wavefront manipulator.
  • optical elements having at least one first optical component and a second optical component, which are arranged one behind the other along an optical axis, each have a refractive free-form surface and are displaceable relative to one another relative to the optical axis.
  • the refractive power of an optical element composed of the two components can be varied.
  • Such optical elements are therefore also called Alvarez elements or Variolinsen.
  • a variable refractive power corresponds to a variable focal position, which can be described by a change in the parabolic component of the wavefront of a beam bundle incident parallel to the axis. In this sense, a vario lens can be considered as a special wavefront manipulator.
  • Variolenses which may be provided according to the teaching of US 3,305,294 are suitable for numerous applications. Examples of this are performing rapid Z-scans of a focus position for acquiring three-dimensional image information, the three-dimensional image stabilization, as described for example in DE 10 2011 054 087 or the compensation of a defocusing, for example in the field of microscopy by varying a cover glass thickness or by Variation of a refractive index can occur.
  • zoom lenses can be used to realize a zoom functionality, such as photo or film camera lenses, especially flat-mounted Vario lenses in compact cameras and mobile phones.
  • an advantageous wavefront manipulator with at least a first optical component and a second optical component, which are arranged along an optical axis in a row and perpendicular to the optical Axle can be moved relative to each other, to provide. It is a second object of the present invention to provide an advantageous optical device.
  • a third object of the present invention is to provide an advantageous use for the wavefront manipulator according to the invention.
  • the first object is achieved by a wavefront manipulator according to claim 1, the second object by an optical device according to claim 16 and the third object by use of a wavefront manipulator according to claim 17.
  • the dependent claims contain advantageous embodiments of the invention.
  • An inventive wavefront manipulator comprises at least a first optical component and a second optical component, which are arranged one behind the other along an optical axis.
  • the first optical component and the second optical component are each arranged to be movable relative to one another in a direction of movement perpendicular to the optical axis.
  • the first optical component and the second optical component each have at least one refractive free-form surface.
  • the optical components can be arranged so that free-form surfaces of adjacent optical components face each other, or so that the freeform surfaces are facing away from each other.
  • Such an optical element has, however, without further measures on the adjustment of the strength of the power-dependent, variable color error. These manifest themselves when using the optical element in an optical system, depending on its arrangement in the beam path either predominantly as longitudinal chromatic aberration or as lateral chromatic aberrations, also called chromatic magnification errors. Thus, when pupil-like arrangement occur mainly longitudinal chromatic aberration, near the field Arrangement predominantly lateral chromatic aberration. In other arrangements, other aberrations such as coma or astigmatism may also be wavelength dependent, such that, for example, chromatic variations of astigmatism or chromatic coma may result as aberrations.
  • an immersion medium contacting the two components is therefore located in the wavefront manipulator according to the invention between the first optical component and the second optical component.
  • Suitable immersion medium are, in particular, liquids, for example ultrapure water, salt solutions, immersion oils, etc., and elastic optics. Since only a lateral movement of the first optical component and the second optical component takes place, the wavefront manipulator with immersion medium can have a flat construction, ie a small extent perpendicular to the lateral direction of movement.
  • a variably adjustable wavefront manipulation can be achieved, the effect of which is independent of the wavelength over an extended wavelength range, so that the wavefront manipulator according to the invention can be used as an achromatic wavefront manipulator.
  • the wavefront manipulator according to the invention therefore, the color errors described above, in particular the longitudinal chromatic aberrations, can be largely avoided when varying the refractive power.
  • he provides a suitable solution to the problem of compensation for thickness and index fluctuations in microscopy with high-aperture objectives, as described in the introduction.
  • the wavefront manipulator according to the invention has a broad field of application in the correction of primary and secondary chromatic aberrations, which goes beyond the mere use as an achromatic vario lens.
  • it can achromatically provide a variable parabolic phase effect, ie a variable optical power.
  • It allows a targeted influence on higher order of errors of the wavefront, such as for the targeted influence of spherical aberration, coma or astigmatism.
  • the freeform surface profile to be used for this purpose is given in the direction parallel to the displacement direction by the parent function of the pupil function, ie the function which describes the pupil dependence of the wavefront error, and in the direction perpendicular thereto by a function proportional to the pupil function.
  • An application for the wavefront manipulator is also conceivable, for example, where a Vario basic optics, which may consist of conventional lens groups displaceable relative to one another along the optical axis, has variable values of the image aberration over an adjustment range. This variable aberration can then be selectively compensated by a wavefront manipulator according to the invention over the entire adjustment range. It is therefore possible, for example, to use the wavefront manipulator as compensating element in a photographic zoom lens in which then a compensation of the zooming dependent compensation of the occurring and by conventional means not correctable aberrations takes place.
  • the first optical component and the second optical component are each movable in a direction of movement perpendicular to the optical axis by a distance of a maximum of 50 pm.
  • the maximum possible distance over which the components can be moved without inducing disturbing stresses depends in particular on the shear modulus of the opto-cuttings used. It is particularly advantageous if the first optical component and the second optical component can each be moved by a distance of a maximum of 20 ⁇ m, in particular of a maximum of 10 ⁇ m, since this increases the number of usable optical elements.
  • the two wavelengths ⁇ and ⁇ 2 are the wavelengths to which the two Abbe numbers refer as secondary wavelengths, if, as usual, defined:
  • An achromatic wavefront manipulator ie a wavefront manipulator, with which a wavefront manipulation can be brought about essentially without color aberration, can be obtained, for example, if the first optical component and the second optical component consist of the same material and the material of the optical components and the immersion medium fulfill the following condition:
  • Ni and vi denote the refractive index and the Abbe number respectively of the material of the optical components
  • n 2 and v 2 denote the refractive index. index or the Abbe number of the immersion medium.
  • the described achromatic wavefront manipulator can be embodied, in particular, as an achromatic lens with variable refractive power, that is to say as an achromatic variolynx, if the free-form surfaces of the optical elements are designed to influence the parabolic component of the wavefront. If a particular wavefront error, which can be clearly described by its dependency on the pupil coordinates or alternatively by reference to the Zernike order, is to be influenced by the wavefront manipulator, the surface profile in the direction parallel to the sliding direction of the elements is proportional to the parent function of this pupil function , and to choose perpendicularly proportional to the pupil function itself.
  • any wavefront manipulation at the fundamental wavelength can be brought about without generating appreciable chromatic aberrations.
  • the degree to which color errors are avoided depends on how large the limits to be met in the above inequality are.
  • Analogous to the condition for achieving achromatic (more precisely: dichromatic) correction of the wavefront manipulator, a corresponding condition for apochromatic (more precisely: trichromatic) correction and an explicit condition for the disappearance of the secondary spectrum can be established.
  • a color error especially the longitudinal chromatic aberration, but not only targeted Zero to achieve achromatization, but the wavefront manipulator can be formed, for example, with a different choice of optical media, that a defined color error for a Rand or Mauwellendorfn the transmitted wavelength range is generated.
  • a defined refractive power change that is to say a defined defocusing, is generally brought about at the same time for a mean wavelength of the transmitted wavelength range. In some applications this can be tolerated.
  • the first optical component and the second optical component consist of the same material and the material of the optical components and the immersion medium fulfill the following conditions:
  • ni and v- ⁇ denote the refractive index and the Abbe number of the material of the optical components and n2 and V2 the refractive index and Abbe's number of the immersion medium.
  • One Wavefront manipulator which satisfies the aforementioned inequalities, represents a wavefront manipulator for selectively influencing the chromatic variation of the wavefront intervention.
  • the material of the optical components can be, for example, glass, crystalline material or plastic.
  • An example of an immersion medium is an organic hydrocarbon, water or an aqueous solution.
  • the material of the optical components is plastic, the immersion medium is an alkali-ion-doped aqueous solution, or a saline solution.
  • the wavefront manipulator according to the invention can be used not only in the visible spectral range but also in the UV spectral range.
  • the material of the optical components for example, quartz glass or a crystalline material may be selected.
  • highly pure water is considered as immersion medium.
  • the structure of the refractive free-form surfaces of the optical components comprises a superposition of at least two structural profiles
  • different wavefront manipulations in any fixed predetermined relationship can be carried out simultaneously.
  • the actual free-form surface of the optical components may be formed by an overlay of a free-form surface for changing the refractive power and a free-form surface for changing the spherical aberration.
  • a corresponding variola varies with the displacement of the optical components against each other a refractive power and at the same time changes a spherical aberration, both changes are proportional to each other with an arbitrary but firmly vorzusphaglenden proportionality factor.
  • both the front side and the rear side of an optical component are provided with a refractive free-form surface.
  • This development makes it possible to provide wavefront manipulators with profile depths of the freeform surfaces smaller than 30 ⁇ m, in particular smaller than 10 m.
  • the refractive free-form surface of the first component may be assigned a first diffractive structure and the refractive free-form surface of the second component a second diffractive structure.
  • the associated diffractive structures can then be used to influence a wavelength-dependent effect of the respective refractive free-form surface.
  • a suitably chosen immersion medium it is then possible to bring about a far-reaching independence of the diffraction efficiency of the diffractive structure from the wavelength, so that a so-called efficiency Achromatized diffractive optical element (EA-DOE) receives.
  • EA-DOE efficiency Achromatized diffractive optical element
  • the independence of the diffraction efficiency from the wavelength is obtained, in particular, when the first optical component and the second optical component consist of the same material, the material of the optical components and of the immersion medium have refractive indices whose difference is a linear function of the wavelength, and the material / Medium having the lower refractive index has a higher dispersion than the material / medium having the higher refractive index.
  • the shape of a refractive free-form surface can be described in each case by a polynomial winding which has development coefficients that are different from zero in finitely many specific polynomial orders.
  • the diffractive structure associated with a refractive free-form surface is then described by a polynomial winding which has non-zero development coefficients in the same polynomial orders as the polynomial winding of the refractive free-form surface.
  • Those development coefficients of a polynomial winding describing a refractive free-form surface and the polynomial winding describing the associated diffractive structure, which are each assigned the same polynomial order, are in a fixed functional relationship to one another.
  • the development coefficients respectively associated with the same polynomial order of a polynomial winding describing a refractive free-form surface and the polynomial winding describing the associated diffractive structure may be in a linear functional relationship in particular.
  • the functional relationship may in particular depend on the material used in the respective optical component, ie on its dispersion.
  • an identical functional relationship can be present for all polynomial orders having coefficients other than zero.
  • the polynomials of the first and second polynomial windings may each be appended by two variables representing different directions perpendicular to the optical axis of the optical element.
  • the two directions can be perpendicular to one another, wherein the one direction corresponds to the direction of movement of the optical components and wherein the polynomial winding describing a refractive free-form surface and the polynomial winding describing the associated diffractive structure each have only odd polynomial orders in those variables which the direction of movement of the optical components represents.
  • the polynomial winding describing a refractive free-form surface and the polynomial winding describing the associated diffractive structure then each need only have straight polynomial orders in that variable which represents the direction perpendicular to the direction of movement of the optical components.
  • an optical device is provided.
  • the optical device according to the invention can be, for example, an optical observation device such as a microscope, in particular a surgical microscope, a telescope, a camera, etc. But it can also be another optical device such as, for example, an optical measuring device. It is equipped with at least one wavefront manipulator according to the invention. Therefore, in the optical device of the present invention, the effects and advantages described with respect to the optical element of the present invention can be obtained.
  • a use of at least one wavefront manipulator according to the invention is provided.
  • at least one wavefront manipulator according to the invention serves to bring about one or more of the following corrections or reductions: dichromatic correction, trichromatic correction, reduction of the secondary spectrum, reduction of the tertiary spectrum.
  • a trichromatic correction can, for example, be brought about by using at least two wavefront manipulators according to the invention.
  • the additional degrees of freedom gained by the additional diffractive structure can be used for trichromatic correction, because the diffractive structure according to the Sweatt model corresponds to a lens made of a material with an equivalent (negative) Abbe number.
  • a wavefront manipulator comprising two moving free-form elements with an immersion medium located therebetween and a diffractive structure on the free-form elements has three independently adjustable refractive powers with which the trichromatic condition can be fulfilled.
  • the condition for the disappearance of the secondary or tertiary spectrum requires at least one medium whose partial dispersion deviates from the normal straight line.
  • This condition can also theoretically and practically meet with a variolysis invention or a wavefront manipulator according to the invention, since the known immersion oils, such as, for example, the Immersol 518N, bring about an abnormal partial dispersion for chemical reasons.
  • a variola invention according to the invention whose free-form elements are formed from a standard glass (glass whose dispersion behavior follows the normal straight line), between which a conventional immersion oil is located, one can actually meet the condition for the disappearance of the secondary spectrum without great difficulty.
  • a wavefront manipulator in a further use of a wavefront manipulator according to the invention, this can be used to bring about a position-dependent correction of at least one wavefront error in a zoom lens.
  • the wavefront manipulator can be arranged in particular in the region of an (approximately) collimated beam path in the zoom lens and can be laterally deflected depending on the position of the zoom lens in such a way that it produces a wavefront error (eg, a longitudinal chromatic aberration, a spherical aberration, etc.) of the zoom lens.
  • Figure 1 shows a first embodiment of a wavefront manipulator according to the invention in a schematic representation.
  • Figure 2 shows an alternative embodiment of the wavefront manipulator according to the invention in a schematic representation.
  • FIGS 3 and 4 show a festbrennweitige optics and the occurring
  • FIGS. 5 to 9 show an optic with a wavefront manipulator in various positions.
  • FIGS. 10 to 14 show those shown in FIGS. 5 to 9
  • FIGS. 15 to 19 show those shown in FIGS. 5 to 9
  • FIG. 20 shows a third exemplary embodiment of the wavefront manipulator according to the invention in a schematic representation. shows a third embodiment of the wavefront manipulator according to the invention in a schematic representation.
  • cj denotes the refractive power of the jth lens and ( ⁇ , Xi) the associated Abbe number of the medium from which the lens is formed with reference to the auxiliary wavelengths ⁇ -1, ⁇ , defined by: If at the same time a predetermined system breaking force O tot is to be achieved, the following additional condition must also be fulfilled:
  • the above reasoning can be directly transmitted analogously.
  • the dichroism condition remains exactly and the second equation (constant power) is replaced by an analogue equalization setting a requirement (constraint) for the overall system effect on the desired wavefront error (eg, spherical aberration).
  • the size is defined as the so-called partial dispersion coefficient P of a medium at the reference wavelength ⁇ and the spurious wavelengths ⁇ and ⁇ 2
  • a wavefront manipulator according to the invention in generalization of the above conditions, the wavefront effect of a wavefront manipulator according to the invention at exactly three wavelengths ⁇ , ⁇ and ⁇ 2 are exactly the same
  • a first exemplary embodiment of a wavefront manipulator according to the invention is shown in FIG.
  • the wavefront manipulator comprises two optical components 1, 3, which are arranged one behind the other along an optical axis OA and are arranged laterally, ie perpendicular to the optical axis OA, displaceable relative to one another, as indicated in the figure by the arrows in -y and + y direction is.
  • each of the two optical components 1, 3 has a refractive free-form surface 5, 7 on one side and a plane surface 9, 11 on the side remote from the free-form surface.
  • the optical components 1, 3 are arranged relative to one another such that their free-form surfaces 5, 7 lie opposite one another.
  • the free-form surfaces 5, 7 behave in a zero position exactly complementary to each other, so that the two optical components 1, 3 are equivalent in a zero position of a plane-parallel plate.
  • an immersion medium 13 which in the exemplary embodiment shown in FIG. 1 is a liquid such as ultrapure water, a salt solution, an immersion oil, etc.
  • the peripheral surface of the wavefront manipulator is provided with an elastic sleeve 15, which prevents leakage of the liquid immersion medium 13 and also in the lateral movement of the optical components 1, 3 relative to each other keeps tight.
  • the sleeve 15 may, for example, be formed by a plastic film. Instead of a cuff of elastic material but also another liquid-tight seal can be used, for example. In the form of a bellows construction. Since the lateral movement of the optical components 1, 3 is in many cases only fractions of a millimeter, a variety of common liquid-tight seals are basically applicable. For example.
  • the surfaces to be wetted by the immersion liquid with an adhesive coating which holds a thin immersion film between the free-form surfaces by adhesive forces and thus prevents leakage of the immersion liquid.
  • the optical components 1, 3 themselves may, for example, consist of glass, of plastic or of crystalline material. The choice of material may depend in particular on the intended use of the wavefront manipulator. If this is to be used in the optical spectral range, the choice will usually fall on glass or plastic. On the other hand, if it is to be used in the ultraviolet spectral range, the optical components 1, 3 will typically consist of quartz glass or a crystalline material, such as calcium fluoride or barium fluoride. As immersion liquid, for example, ultrapure water is considered in the ultraviolet spectral range.
  • FIG. 2 A second embodiment of the wavefront manipulator according to the invention is shown in FIG. Elements which do not differ from the wavefront manipulator of the first embodiment are designated in FIG. 2 with the same reference number as in FIG. 1 and will not be explained again in order to avoid repetitions.
  • the wavefront manipulator of the second embodiment differs from that of the first embodiment in that the immersion medium is formed by an elastic optic material 17 instead of a liquid. On an elastic sleeve, as it is present in the first embodiment, is therefore omitted in the second embodiment.
  • wavefront manipulator of the second embodiment is advantageous if the two optical components 1, 3 are each limited in their movement perpendicular to the optical axis to a maximum displacement of 50 pm in order to avoid disturbing voltages in the optocouple 17.
  • the maximum possible distance over which the optical components can be moved without inducing disturbing voltages depends in particular on the shear modulus of the opto-cuttings used.
  • the wavefront manipulator in the simplest embodiment has exactly two optical components 1, 3 which can be displaced laterally, ie transversely to the optical system axis OA (compare FIGS. 1 and 2, in which the one optical component 3 in + y is shifted, the other optical component 1 in -y direction, both in opposite directions by equal amounts).
  • the free-form surface may preferably be described by a polynomial having only straight powers of x in a direction orthogonal to the direction of movement of the optical components 1, 3 and in a direction y parallel to the direction of movement has only odd powers of y.
  • the free-form surface z (x, y) can first generally, for example, by a polynomial winding of the form oo
  • x, y and z denote the three Cartesian coordinates of a point lying on the surface in the local area-related coordinate system.
  • the coordinates x and y are to be used as dimensionless measures in so-called lens units in the formula. Lens units here means that all lengths are first given as dimensionless numbers and later interpreted to be consistently multiplied by the same unit of measure (nm, pm, mm, m).
  • the background is that the geometric optics is scale-invariant, and in contrast to the wave optics does not have a natural length unit.
  • a pure defocusing effect can be effected according to the teaching of Alvarez, if the free-form surface of the optical components 1, 3 can be described by the following polynomial of 3rd order:
  • the lateral displacement of the optical components 1, 3 takes place along the y-axis, which is thereby defined. If the displacement is to take place along the x-axis, the role of x and y must be changed accordingly in the above equation.
  • the parameter K virtually scales the profile depth and in this way determines the achievable refractive power change per unit of the lateral displacement path s.
  • s 4 K - s (n - ⁇ ) (4)
  • K is the scaling factor of the tread depth
  • n is the refractive index of the material from which the lens is formed at the respective wavelength.
  • a term proportional to y can also be added, the optical effect of which on the two free-form surfaces then almost canceling out, but minimizing the center thickness of the element.
  • a pure tilting term on the free-form surfaces is optically ineffective in a first approximation and therefore does not cause any color aberrations in particular.
  • the free-form surfaces can have additional terms of higher order for influencing individual image defects.
  • the structure profiles may be freely superimposed, i. a structure for changing the refractive power and a structure for changing the spherical aberration may be superimposed in a free-form surface 5, 7, so that a corresponding wavelength manipulator upon displacement of the optical components 1, 3 against each other varies a refractive power and simultaneously changes a spherical aberration, both Changes are proportional to each other with an arbitrarily but firmly preselected proportionality factor.
  • both sides of the moving optical components 1, 3 could have an active mold according to the forms described above.
  • a symmetrical division of the surface profile according to the above formula on the front and rear surface of a component could cause the tread depths on each surface to remain sufficiently low, such that, for example, a photolithographic fabrication of the elements, typically only maximum tread depths in the range ⁇ 10-30 allows ⁇ ⁇ ⁇ , is facilitated.
  • the adaptation of the immersion medium 13, 17 to the material of the optical components 1, 3 will be described below with reference to two concrete examples.
  • the condition for the adaptation of the immersion medium 13, 17 to the material of the optical components 1, 3 in the wavefront manipulator can be derived as follows:
  • the condition for achromaticity for two closely spaced lenses is generally:
  • vi and V2 denote the Abbe number of the material of the free-form elements 1, 3 or the Abbe number of the immersion medium.
  • a parameter range for a variolysis according to the invention can be characterized approximately by the following conditions:
  • An achromatic wavefront manipulator which is intended to influence a specific Zernike term instead of defocusing, also has to fulfill the same achromatization condition (7) or (8a) to (8c).
  • Fundamental wavelength is generated by the free-form profile function z (x, y) is designed in the direction of movement of the elements to each other proportional to the parent function of AW (x, y) and perpendicular to the direction of movement proportional to the function AW (x, y) itself.
  • a color longitudinal error can not only be deliberately set to zero with a different choice of optical media, but the element can also be designed so that defined amounts of longitudinal chromatic aberration are generated.
  • a lateral displacement of the free-form elements according to equation (2) simultaneously produces a refractive power change at the central wavelength (ie a defocus) and relative thereto a longitudinal chromatic aberration the marginal or minor wavelengths.
  • the solution proposed according to the invention consists in using for the free-form elements 1, 3 and the immersion medium 13, 17 arranged therebetween materials and media which are almost not in the refractive index n at the central wavelength but clearly in the Abbe number v differ from each other, especially those materials and media in which at the same time the conditions -n 2 ⁇ ⁇ 0.05 and
  • the free-form elements 1, 3 are formed from plastic, as an immersion medium 13, 17, for example, with an appropriate alkali-doped aqueous (salt) solution into consideration.
  • the conditions (9a) to (9c) can be understood from the following consideration: The more the Abbe number of free-form elements differs from the Abbe number of the immersion medium, the smaller the lateral displacement paths can be - and the flatter the freeform profiles 1, 3 can be Achieving a given color longitudinal error fail through the wavefront manipulator.
  • the less the refractive index of the free-form elements differs from the refractive index of the immersion medium the lower the change in the focal position at the central wavelength when setting a predetermined chromatic aberration.
  • equations (8a) to (8c) for example, with two optical elements 1, 3 whose free-form surfaces 5, 7 are given by the equation (5), a wavefront manipulator for influencing the so-called Gaussian error, that is, the image defect that describes the chromatic variation of the spherical aberration.
  • a plurality of structural profiles can be freely superposed in the free-form surfaces 5, 7 of the optical components 1, 3.
  • a structure for changing the refractive power and a structure for changing the spherical aberration in the free-form surfaces 5, 7 may be superimposed so that a corresponding zoom lens will vary a refractive power when the optical components 1, 3 are displaced while changing a spherical aberration, both Changes are proportional to each other with an arbitrarily but firmly preselected proportionality factor.
  • the rules set out above for the effect of a corresponding choice of material according to condition (8a), (8b) or (8c) or according to the conditions (9a), (9b) or (9c) can be applied mutatis mutandis.
  • the concrete example is based on a vario lens with two optical components 1, 3, each having a free-form surface 5, 7, whose shape is described by the polynomial winding according to equation (1).
  • the development coefficients C m , n of the polynomial winding are in the design data listed in the following tables, respectively corresponding areas are indicated, wherein the development coefficients are marked with the powers of the associated polynomial terms.
  • the associated coefficients k, A, B, C and D are indicated on the corresponding surfaces, respectively, following the vertex radius.
  • the diameter of the aperture diaphragm is constant in the concrete embodiment, 20 mm.
  • the procedure is three-step.
  • First, in a first step, an optically group designed for a fixed average object distance of So -250 mm and quasi-defect-free for this fixed object distance is specified.
  • a Vario-lens is added to vary the system's refractive power and thus adapt it to the changed object intercept.
  • the Variolinse still has no immersion medium.
  • a Variolinse invention with immersion medium is given, with It is possible to compensate the chromatic aberrations almost completely and over the entire distance range which can be set with the variolo- gy.
  • the optics 20, which images almost faultlessly for a fixed mean object distance of So -250 mm, is represented in the concrete exemplary embodiment by a rotationally symmetrical hybrid optics, as shown schematically in FIG.
  • the optical system 20 shown in FIG. 3 consists of a collecting lens made of the glass FK5, which is aspherical on the front side, and a spherical diverging lens made of the glass SF1 cemented thereto.
  • the diverging lens is provided on the back (F7) with an adapted DOE structure.
  • the optics 20 two plane-parallel glass plates 21, 23 are connected upstream.
  • This part of the system is used here to simulate a virtually perfectly corrected fixed-focal-length optics, which, of course, can also be formed in practical applications by very differently constructed multi-lens objectives.
  • the fixed focal length group is designed to image an object located 250 mm in front of the vertex of the leftmost glass surface F1 on an image plane 50 mm away from the vertex of the last, rightmost lens surface F7 ,
  • an objective for a digital surgical microscope can be considered, ie a surgical microscope with digital eyepieces and / or another display.
  • FIG. 4 shows the image error curves belonging to the optics from FIG.
  • the vertical axis denotes the geometrical-optical transverse aberrations in millimeters and ranges from -0.05 mm to 0.05 mm.
  • the left side which is referred to in the figure as Y-fan (German Y-fan), the transverse aberration for a beam in dependence on the Y-coordinate of the opening beam in the exit pupil.
  • the right-hand side which in the figure is designated as an X-fan, shows a corresponding representation of the transverse aberration for the beam as a function of the X-fan. Coordinate of the opening beam in the exit pupil.
  • the beam has an axis beam as the main beam, ie, the main beam is a beam that runs on the optical axis of the fixed focal length group 20, ie the X and Y coordinates has 0.0 and in the YZ plane and in the XZ Plane has the angle of incidence zero degrees with respect to the optical axis.
  • the image point generated by the optics of a beam characterized by an axis beam as the main beam lies on the optical axis.
  • the main ray of the beam in the Relative Field is corresponding to the Y coordinate 0.00 and the angle 0 ° for the Y fan and the X coordinate 0.00 and the angle 0 ° for the X-Fan marked.
  • the two optical components 1, 3, each carrying a free-form surface 5, 7 on the inside, are laterally moved in opposite directions to each other to set the focus on the different object distances, so that a variable air lens results in the interior.
  • the displacement paths of the first laterally moved optical component 1 in the 5 positions are +1.50 mm, +0.75 mm, 0.00 mm; -0.75 mm; -1.50 mm in the y direction.
  • the second optical component 3 shifts in each case by equal amounts in the opposite direction, so that the displacement paths of the second laterally moving optical component 3 in the 5 positions -1.50 mm, -0.75 mm, 0.00 mm; +0.75 mm; +1.50 mm.
  • the position of the image plane relative to the optics 20 remains constant (50 mm free cut width).
  • FIGS. 10 to 14 show the aberrations associated with the positions of the optical components shown in FIGS. 5 to 9.
  • the vertical axes in each case denote the geometric-optical transverse aberrations in millimeters and extend from -0.05 mm to 0.05 mm.
  • the left side of the figures again shows the transverse aberration for a beam with axis beam as the main beam as a function of the Y-coordinate of the opening beam in the exit pupil, the right side a corresponding representation of the transverse aberration for the beam in dependence on the X-coordinate of Opening beam in the exit pupil. It can be seen from FIGS.
  • Such an immersion oil is available, for example, from Zeiss under the name "Immersion Oil 518.” If these numbers are used in inequality 8a, the result is 0.00062, which is well below the limit of inequality (8a) and even below that in equation (8c) and thus results in a very good correction of the chromatic aberration shown in Figures 10 to 14.
  • this inventive variola it is possible to achieve chromatic aberrations almost completely and over the entire adjustable distance range avoid.
  • Figures 15 to 19 show the aberrations that occur in the festbrennweitigen optics 20 with upstream Vario according to the invention.
  • the vertical axes each denote the geometrical-optical transverse aberrations in millimeters and range from -0.05 mm to 0.05 mm, the left side of the figures being the transverse aberration for a beam with the axis of the beam as the main beam as a function of the Y-coordinate of Opening beam in the exit pupil and the right side shows a corresponding representation of the transverse aberration for the beam in dependence on the X-coordinate of the opening beam in the exit pupil.
  • FIG. 1 A third embodiment of a wavefront manipulator according to the invention is shown in FIG.
  • the wavefront manipulator comprises two optical components 1, 3 which are arranged one behind the other along an optical axis OA and are arranged so as to be laterally displaceable relative to one another, ie perpendicular to the optical axis OA.
  • Each of the two optical elements 1, 3 has a refractive free-form surface 5, 7 with an associated diffractive structure 25, 27.
  • the wavefront manipulator is protected against leakage of the immersion liquid 13 by an elastic sealing collar 15, a sealing bellows or the like.
  • an elastic sealing collar 15 a sealing bellows or the like.
  • the material of the optical components 1, 3 and the immersion medium 13 are chosen so that their refractive indices have a difference which is a linear function of the wavelength.
  • the lower refractive index material / medium has a higher dispersion than the higher refractive index material / medium.
  • Such an optical element composed of a first material (in the present case the material of the optical components) and a second material (in this case the immersion medium) having different refractive indices and having a diffractive structure at the interface between the two materials also called efficiency achromatized diffractive optical element (EA-DOE).
  • Efficiency achromatized diffractive optical elements and the conditions for a diffraction efficiency independent of the wavelength are described in detail, for example, in DE 10 2007 051 887 A1, to which reference is made in particular with regard to the conditions for a wavelength-independent diffraction efficiency.
  • the conditions mentioned therein can be easily transferred to the present case where the second medium is an immersion medium.
  • the wavefront manipulator according to the invention is also embodied as an efficiency-achromatized diffractive optical element, refractive and diffractive wavefront manipulators can be produced, for example those with variable refractive power, in which the diffraction efficiency of the diffractive structure 25, 27 varies only slightly over a wide wavelength range and False light is suppressed in unwanted diffraction orders.
  • diffractive wavefront manipulators can also be realized in which the diffraction efficiency does not vary more than 5% over a wavelength range of at least 200 nm, in particular at least 300 nm, and in particular varies no more than 1% over a wavelength range of at least 200 nm.
  • wavefront manipulators for the visible spectral range can be realized in which the diffraction efficiency in the range of 410 nm to 710 nm does not vary more than 5% and does not vary more than 1% in the range of 425 nm to 650 nm.
  • the diffractive structure can be described by a polynomial winding corresponding to the polynomial winding for the freeform surfaces (equation (1)).
  • the phase function ⁇ then has the form:
  • C ' mn denotes the development coefficient of the polynomial winding of the diffractive structure 25, 27 in the order m with respect to the x direction and the order n with respect to the y direction.
  • the coordinates x and y as well as the reference wavelength ⁇ are to be used in equation (10) as dimensionless numerical measures (so-called lens units) in millimeters.
  • the diffractive structure described in this way can be physically imagined such that, starting from the support surface, which may be a free-form surface, a plane surface or a curved surface, the associated segment of the diffractive structure each leaps around one upon reaching a fixed phase value of 2 ⁇ Amount ⁇ / ( ⁇ ( ⁇ ) -1) in the z-direction relative to the support surface.
  • the diffractive structure 25, 27 belonging to a refractive free-form surface 5, 7 is described by a polynomial winding which has non-zero development coefficients in the same polynomial orders as the polynomial winding of the refractive free-form surface 5, 7.
  • Those development coefficients of a polynomial winding describing a refractive free-form surface 5, 7 and the polynomial winding describing the associated diffractive structure 25, 27, which are each assigned the same polynomial order, are in a fixed functional relationship to one another.
  • the development coefficients of the free-form surface C m, n and the development coefficients of the diffractive structure C ' m , n are therefore different from zero with the same values of n and m and in particular coupled to each other by a fixed proportionality factor.
  • the proportionality factor preferably depends on the dispersion in the material used of the optical components 1, 3 and is to be determined in each individual case from a numerical optimization calculation.
  • the diffractive structure belonging to the refractive free-form surface according to equation (2) accordingly has the following defining equation: where the coefficient C is a constant proportional to K related to K in a manner dependent on the dispersion properties of the glass used and, in a concrete case, numerically determined. If, in order to minimize the center thickness of the optical component 1, 3, a term proportional to y is also added (wedge or tilt term) whose optical effect on the two free-form surfaces 5, 7 is almost canceled, but a minimization of the center thickness of the component 1, 3 of the element, the corresponding term can then also be provided in the diffractive structure.
  • the phase function the diffractive surface 25, 27 and the height profile of the refractive free-form surface 5, 7 always contain the same polynomial terms - not necessarily in the diffractive structure 25, 27 may be provided. This is due to the fact that a pure tilting term on the free-form surfaces is optically ineffective to a first approximation.
  • the associated phase function of the diffractive structure then has the following form:
  • an exemplary embodiment of a wavefront manipulator is described below, in which four optical components 101, 103, 111, 113 are present.
  • Two of the optical components together form an assembly 105, 115, which can be considered as a wavefront manipulator as described with reference to FIG. 1, FIG. 2 or FIG.
  • the assemblies 105, 115 need not be the same design.
  • one of the assemblies may be formed as a wavefront manipulator according to claim 1, the other as a wavefront manipulator according to claim 20.
  • the four optical components 101, 103, 111, 113 form two assemblies 105, 115, each forming a wavefront manipulator according to FIG.
  • the wavefront manipulator comprising the two subassemblies 105, 115 is arranged in the present exemplary embodiment in a zoom system which comprises four lens groups 107-110, which are shown in simplified form only as lenses in FIG.
  • the two outer lens groups 107, 110 are fixed and collecting, the two inner lens groups 108, 109 displaceable and dispersive.
  • the assemblies 105, 115 of the wavefront manipulator are positioned between the two inner lens groups 108, 109 in the region of an aperture diaphragm 106 - for example in front of and behind the aperture diaphragm 106, as indicated in the figure, where in a central zoom position a collimated beam path and in others Zommwolfen at least an approximately collimated beam path is present.
  • the optical elements of the zoom system form a symmetrical arrangement with respect to the aperture diaphragm plane.
  • the wavefront manipulator serves to bring about a trichromatic correction over the entire zoom range.
  • the provision of diffractive structures, as described with reference to FIG. 20, also increases the number of degrees of freedom and thus also the number of possible corrections or reductions.
  • the limitation of the lateral movement can then ensure, for example, that the sealing effect of the cuff, the bellows, etc. is ensured in any case over the entire lateral range of motion.
  • other considerations such as a limitation of the space required for the wavefront manipulator, lead to a limitation of the lateral movement.
  • a limitation of the lateral movement can, for example, be brought about by increasing the scaling factor k for the profile depth of the freeform surface given a given wavefront effect.
  • the free-form surfaces of the optical components have been described as identical.
  • the free-form surfaces there may be slight differences between the free-form surfaces, such as to account for non-paraxial effects due to the deviation of the incident height of rays at the first and second free-form surfaces due to the finite path in the immersion medium.
  • the deviations must be determined empirically.
  • the diffractive structure may be present on the planar surfaces instead of on the free-form surfaces, the optical components then facing one another with their plane surfaces and the immersion medium being arranged between the planar surfaces.
  • the optical components can be arranged so that their planar surfaces face each other and the immersion medium is arranged between the planar surfaces.

Abstract

The invention relates to a wavefront manipulator, comprising at least one first optical component (1) and one second optical component (3). The optical components (1, 3) are arranged one behind the other along an optical axis (OA), wherein the first optical component (1) and the second optical component (3) are both arranged such as to be movable relative to each other in a respective direction of motion perpendicular to the optical axis (OA). In addition, the first optical component (1) and the second optical component (3) both have at least one refractive freeform surface (5, 7). An immersion medium that contacts the two components (1, 3) is arranged between the first optical component (1) and the second optical component (3).

Description

Wellenfrontmanipulator und optisches Gerät  Wavefront manipulator and optical device
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wellenfrontmanipulator mit wenigstens einer ersten optischen Komponente und einer zweiten optischen Komponente, die entlang einer optischen Achse hintereinander angeordnet sind. Daneben betrifft die Erfindung eine Verwendung des Wellenfront- manipulators sowie ein optisches Gerät mit einem Wellenfrontmanipulator. The present invention relates to a wavefront manipulator having at least a first optical component and a second optical component, which are arranged one behind the other along an optical axis. In addition, the invention relates to a use of the wavefront manipulator and an optical device with a wavefront manipulator.
In US 3,305,294 von Luiz W. Alvarez sind optische Elemente mit wenigstens einer ersten optischen Komponente und einer zweiten optischen Komponente, die entlang einer optischen Achse hintereinander angeordnet sind, jeweils eine refraktive Freiformfläche aufweisen und senkrecht zur optischen Achse gegeneinander verschiebbar sind, beschrieben. Durch laterales Verschieben der optischen Komponenten mit den Freiformflächen lässt sich die Brechkraftwirkung eines aus den beiden Komponenten aufgebauten optischen Elements variieren. Derartige optische Elemente werden daher auch Alvarez-Elemente oder Variolinsen genannt. Eine variable Brechkraft entspricht einer variablen Fokuslage, welche durch eine Änderung des parabolischen Anteils der Wellenfront eines parallel zur Achse einfallenden Strahlbündels beschreibbar ist. In diesem Sinne kann eine Variolinse als ein spezieller Wellenfrontmanipulator angesehen werden. In US Pat. No. 3,305,294 by Luiz W. Alvarez, optical elements having at least one first optical component and a second optical component, which are arranged one behind the other along an optical axis, each have a refractive free-form surface and are displaceable relative to one another relative to the optical axis. By lateral displacement of the optical components with the free-form surfaces, the refractive power of an optical element composed of the two components can be varied. Such optical elements are therefore also called Alvarez elements or Variolinsen. A variable refractive power corresponds to a variable focal position, which can be described by a change in the parabolic component of the wavefront of a beam bundle incident parallel to the axis. In this sense, a vario lens can be considered as a special wavefront manipulator.
Daneben sind aus I.M. Barton et al.l.„Diffractive Alvarez Lens" Optics Letters 2000 (25), Seiten 1-3 Elemente bekannt, die entlang einer optischen Achse hintereinander angeordnet sind, in Bezug auf die optische Achse lateral gegeneinander verschiebbar sind und diffraktive Flächen aufweisen. Die diffraktive Wirkung eines aus den beiden verschiebbaren Elementen gebildeten optischen Elements hängt dabei von der lateralen Stellung der beiden Elemente zueinander ab. In addition, from IM Barton et al., "Diffractive Alvarez Lens" Optics Letters 2000 (25), pages 1-3 elements are known, which are arranged along an optical axis one behind the other, with respect to the optical axis laterally displaced against each other and diffractive The diffractive effect of one of the two displaceable elements formed optical element depends on the lateral position of the two elements to each other.
Variolinsen, die gemäß der Lehre aus US 3,305,294 bereitgestellt werden können, kommen für zahlreiche Anwendungen in Betracht. Beispiele hierfür sind das Durchführen schneller Z-Scans einer Fokuslage zur Erfassung dreidimensionaler Bildinformationen, die dreidimensionale Bildstabilisierung, wie sie bspw. in DE 10 2011 054 087 beschrieben ist oder die Kompensation einer Defokussierung, die beispielsweise im Bereich der Mikroskopie durch Variation einer Deckglasdicke oder durch Variation eines Brechungsindex auftreten kann. Daneben gibt es zahlreiche weitere Anwendungen, in denen Variolinsen zur Realisierung einer Zoomfunktionalität eingesetzt werden können, wie etwa Foto- oder Filmkameraobjektive, insbesondere flachbauende Varioobjektive in Kompaktkameras und Mobiltelefonen. Variolenses which may be provided according to the teaching of US 3,305,294 are suitable for numerous applications. Examples of this are performing rapid Z-scans of a focus position for acquiring three-dimensional image information, the three-dimensional image stabilization, as described for example in DE 10 2011 054 087 or the compensation of a defocusing, for example in the field of microscopy by varying a cover glass thickness or by Variation of a refractive index can occur. In addition, there are numerous other applications in which zoom lenses can be used to realize a zoom functionality, such as photo or film camera lenses, especially flat-mounted Vario lenses in compact cameras and mobile phones.
In nahezu allen praktisch relevanten Fällen ist es dabei höchst wünschenswert, die optische Abbildung über den Zoombereich hinweg weitgehend frei von Farbfehlern zu halten. Dies ist mit konventionellen Mitteln jedoch, wenn überhaupt, so nur sehr schwer erreichbar. Beispielsweise erzeugen thermisch induzierte oder anderweitig verursachte Schwankungen des Brechungsindex eines optischen Mediums häufig Änderungen in der Systembrechkraft, die eine starke Wellenlängenabhängigkeit aufweisen. Während die Brechkraftänderung bei einer mittleren Wellenlänge meist durch einen bekannten Defokuskompensator (beispielsweise eine Schiebelinse, eine Änderung des Luftraums zwischen zwei Linsen, etc.) hinreichend gut kompensiert werden kann, verbleibt die Wellenlängenabhängigkeit der Defokussierung als anderweitig nicht zu kompensierender Restfehler. Insbesondere bei flachbauenden Varioobjektiven ist keine praktikable Lehre bekannt, die es ermöglichen würde, über den gesamten Zoombereich hinweg eine konstante achromatische Korrektur zu erhalten. Es ist daher eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen vorteilhaften Wellenfrontmanipulator mit wenigstens einer ersten optischen Komponente und einer zweiten optischen Komponente, die entlang einer optischen Achse hintereinander angeordnet sind und senkrecht zur optischen Achse relativ zueinander bewegt werden können, zur Verfügung zu stellen. Es ist eine zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein vorteilhaftes optisches Gerät zur Verfügung zu stellen. Eine dritte Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine vorteilhafte Verwendung für den erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator anzugeben. In almost all practically relevant cases, it is highly desirable to keep the optical image largely free from color aberrations over the zoom range. However, this is very difficult, if not impossible, to achieve this by conventional means. For example, thermally induced or otherwise induced refractive index variations of an optical medium often produce changes in system power that have a strong wavelength dependency. While the refractive power change at an average wavelength can usually be compensated sufficiently well by a known defocus compensator (for example a sliding lens, a change in the air space between two lenses, etc.), the wavelength dependence of the defocusing remains as a residual error that can not otherwise be compensated. In particular, in the case of flat-mounted zoom lenses no practicable teaching is known which would make it possible to obtain a constant achromatic correction over the entire zoom range. It is therefore a first object of the present invention, an advantageous wavefront manipulator with at least a first optical component and a second optical component, which are arranged along an optical axis in a row and perpendicular to the optical Axle can be moved relative to each other, to provide. It is a second object of the present invention to provide an advantageous optical device. A third object of the present invention is to provide an advantageous use for the wavefront manipulator according to the invention.
Die erste Aufgabe wird durch einen Wellenfrontmanipulator nach Anspruch 1 gelöst, die zweite Aufgabe durch ein optisches Gerät nach Anspruch 16 und die dritte Aufgabe durch eine Verwendung eines Wellenfrontmanipulators gemäß Anspruch 17. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Aus- gestaltungen der Erfindung. The first object is achieved by a wavefront manipulator according to claim 1, the second object by an optical device according to claim 16 and the third object by use of a wavefront manipulator according to claim 17. The dependent claims contain advantageous embodiments of the invention.
Ein erfindungsgemäßer Wellenfrontmanipulator umfasst wenigstens eine erste optische Komponente und eine zweite optische Komponente, die entlang einer optischen Achse hintereinander angeordnet sind. Die erste optische Komponente und die zweite optische Komponente sind jeweils in einer Bewegungsrichtung senkrecht zur optischen Achse relativ zueinander bewegbar angeordnet. Außerdem weisen die erste optische Komponente und die zweite optische Komponente jeweils mindestens eine refraktive Freiformfläche auf. Die optischen Komponenten können dabei so angeordnet sein, dass Freiformflächen benachbarter optischer Komponenten einander zugewandt sind, oder so, dass die Freiformflächen voneinander abgewandt sind. Durch laterales Verschieben (d.h. ein Verschieben senkrecht zur optischen Achse) der beiden optischen Komponenten relativ zueinander kann dank der Freiformflächen die Stärke der Brechkraft des optischen Elements verändert werden. Das Beeinflussen der Brechkraft durch laterales Verschieben ist in US 3,305,294 beschrieben, auf die in diesem Zusammenhang verwiesen wird. An inventive wavefront manipulator comprises at least a first optical component and a second optical component, which are arranged one behind the other along an optical axis. The first optical component and the second optical component are each arranged to be movable relative to one another in a direction of movement perpendicular to the optical axis. In addition, the first optical component and the second optical component each have at least one refractive free-form surface. The optical components can be arranged so that free-form surfaces of adjacent optical components face each other, or so that the freeform surfaces are facing away from each other. By lateral displacement (i.e., displacement perpendicular to the optical axis) of the two optical components relative to one another, the strength of the refractive power of the optical element can be changed thanks to the free-form surfaces. The influencing of the refractive power by lateral displacement is described in US Pat. No. 3,305,294, to which reference is made in this connection.
Ein derartiges optisches Element weist ohne weitere Maßnahmen jedoch von der Einstellung der Stärke der Brechkraft abhängige, variable Farbfehler auf. Diese manifestieren sich bei Verwendung des optischen Elements in einem optischen System in Abhängigkeit von seiner Anordnung im Strahlengang entweder vorwiegend als Farblängsfehler oder als Farbquerfehler, auch chromatische Vergrößerungsfehler genannt. So treten bei pupillenaher Anordnung vorwiegend Farblängsfehler auf, bei feldnaher Anordnung vorwiegend Farbquerfehler. In anderen Anordnungen können auch andere Bildfehler wie etwa Koma oder Astigmatismus wellenlängenabhängig auftreten, so dass sich bspw. chromatische Variationen von Astigmatismus oder chromatische Koma als Bildfehler ergeben können. Zur Vermeidung von Farbfehlern befindet sich im erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator daher zwischen der ersten optische Komponente und der zweiten optische Komponente ein die beiden Komponenten kontaktierendes Immersionsmedium. Als Immersionsmedium kommen insbesondere Flüssigkeiten, etwa hochreines Wasser, Salzlösungen, Immersionsöle, etc, und elastische Optokitte in Betracht. Da lediglich eine laterale Bewegung der ersten optischen Komponente und der zweiten optischen Komponente erfolgt, kann der Wellenfrontmanipulator mit Immersionsmedium eine flache Bauweise besitzen, d.h. eine geringe Ausdehnung senkrecht zu der lateralen Bewegungsrichtung. Durch geeignetes Anpassen des Brechungsindex und der Abbeschen Zahl des Immersionsmediums an den Brechungsindex und die Abbesche Zahl des Materials, aus dem die optischen Elemente hergestellt sind, lässt sich eine variabel einstellbare Wellenfrontmanipulation erreichen, deren Wirkung über einen ausgedehnten Wellenlängenbereich hinweg unabhängig von der Wellenlänge ist, so dass der erfindungsgemäße Wellenfrontmanipulator als achromatischer Wellenfrontmanipulator eingesetzt werden kann. Mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Wellenfrontmanipulators lassen sich daher die oben beschriebenen Farbfehler, insbesondere der Farblängsfehler, beim Variieren der Brechkraft weitgehend vermeiden. Beispielsweise stellt er in einer möglichen Anwendung eine geeignete Lösung für die eingangs beschriebene Problematik der Kompensation von Dicken- und Indexschwankungen bei der Mikroskopie mit hochaperturigen Objektiven zur Verfügung. Such an optical element has, however, without further measures on the adjustment of the strength of the power-dependent, variable color error. These manifest themselves when using the optical element in an optical system, depending on its arrangement in the beam path either predominantly as longitudinal chromatic aberration or as lateral chromatic aberrations, also called chromatic magnification errors. Thus, when pupil-like arrangement occur mainly longitudinal chromatic aberration, near the field Arrangement predominantly lateral chromatic aberration. In other arrangements, other aberrations such as coma or astigmatism may also be wavelength dependent, such that, for example, chromatic variations of astigmatism or chromatic coma may result as aberrations. In order to avoid chromatic aberrations, an immersion medium contacting the two components is therefore located in the wavefront manipulator according to the invention between the first optical component and the second optical component. Suitable immersion medium are, in particular, liquids, for example ultrapure water, salt solutions, immersion oils, etc., and elastic optics. Since only a lateral movement of the first optical component and the second optical component takes place, the wavefront manipulator with immersion medium can have a flat construction, ie a small extent perpendicular to the lateral direction of movement. By suitably adjusting the refractive index and the Abbe number of the immersion medium to the refractive index and the Abbe number of the material from which the optical elements are made, a variably adjustable wavefront manipulation can be achieved, the effect of which is independent of the wavelength over an extended wavelength range, so that the wavefront manipulator according to the invention can be used as an achromatic wavefront manipulator. With the embodiment of the wavefront manipulator according to the invention, therefore, the color errors described above, in particular the longitudinal chromatic aberrations, can be largely avoided when varying the refractive power. For example, in one possible application, he provides a suitable solution to the problem of compensation for thickness and index fluctuations in microscopy with high-aperture objectives, as described in the introduction.
Der erfindungsgemäße Wellenfrontmanipulator besitzt ein breites Einsatz- gebiet in der Korrektur von primären und sekundären Farbfehlern, das über den bloßen Einsatz als achromatische Variolinse hinausgeht. Er kannin einer Ausgestaltung achromatisch eine variable parabolische Phasenwirkung, d.h. eine variable optische Brechkraft, bereitstelle. In einer anderen Ausgestal- tung ermöglicht er eine gezielte Beeinflussung höherer Fehlerordnungen der Wellenfront, etwa zur gezielten Beeinflussung von Sphärischer Aberration, Koma oder Astigmatismus. Insbesondere ist es auch möglich, jeden beliebigen Wellenfrontfehler, der durch eine feste vorgegebene funktionale Abhängigkeit von den Pupillenkoordinaten beschrieben ist, zu korrigieren, und zwar exakt jeweils nur für einen Feldpunkt. Das dazu heranzuziehende Freiformflächenprofil ist in der Richtung parallel zur Verschieberichtung durch die Stammfunktion der Pupillenfunktion, also der Funktion, die die Pupillenabhängigkeit des Wellenfrontfehlers beschreibt, gegeben, und in der Richtung senkrecht dazu durch eine zur Pupillenfunktion proportionale Funktion. Eine Anwendung für den Wellenfrontmanipulator ist bspw. auch dort vorstellbar, wo eine Vario-Grundoptik, die etwa konventionell aus entlang der optischen Achse gegeneinander verschiebbaren Linsengruppen bestehen kann, über einen Verstellbereich veränderliche Werte des Bildfehlers aufweist. Dieser veränderliche Bildfehler kann dann durch einen erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator über den gesamten Verstellbereich hinweg gezielt kompensiert werden. Möglich ist daher bspw. ein Einsatz des Wellenfrontmanipulators als Kompensationsglied in einem photographischen Zoomobjektiv, in dem dann eine von der Zoomstellung abhängige Kompensation der auftretenden und mit konventionellen Mitteln nicht korrigierbaren Bildfehler stattfindet. The wavefront manipulator according to the invention has a broad field of application in the correction of primary and secondary chromatic aberrations, which goes beyond the mere use as an achromatic vario lens. In one embodiment, it can achromatically provide a variable parabolic phase effect, ie a variable optical power. In another embodiment It allows a targeted influence on higher order of errors of the wavefront, such as for the targeted influence of spherical aberration, coma or astigmatism. In particular, it is also possible to correct any wavefront error which is described by a fixed predefined functional dependency on the pupil coordinates, namely in each case only for one field point. The freeform surface profile to be used for this purpose is given in the direction parallel to the displacement direction by the parent function of the pupil function, ie the function which describes the pupil dependence of the wavefront error, and in the direction perpendicular thereto by a function proportional to the pupil function. An application for the wavefront manipulator is also conceivable, for example, where a Vario basic optics, which may consist of conventional lens groups displaceable relative to one another along the optical axis, has variable values of the image aberration over an adjustment range. This variable aberration can then be selectively compensated by a wavefront manipulator according to the invention over the entire adjustment range. It is therefore possible, for example, to use the wavefront manipulator as compensating element in a photographic zoom lens in which then a compensation of the zooming dependent compensation of the occurring and by conventional means not correctable aberrations takes place.
Wenn als Immersionsmedium ein Optokitt Verwendung findet, in dem zu große Bewegungen störende Spannungen induzieren könnten, ist vorteilhaft, wenn die erste optische Komponente und die zweite optische Komponent jeweils in einer Bewegungsrichtung senkrecht zur optischen Achse um eine Strecke von maximal 50 pm bewegbar sind. Die maximal mögliche Strecke, über die die Komponenten bewegt werden können, ohne störende Spannungen zu induzieren, hängt dabei insbesondere vom Schubmodul des verwendeten Optokitts ab. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die erste optische Komponente und die zweite optische Komponente jeweils um eine Strecke von maximal 20 pm, insbesondere von maximal 10 pm, bewegbar sind, da dadurch die Zahl der nutzbaren Optokitte steigt. Bei Verwendung einer Immersionsflüssigkeit als Immersionsmedium sind aber auch Verschiebewege im Millimeterbereich möglich. Die Wirkung des Wellenfrontmanipulators ist für zwei Wellenlängen λι und λ2 exakt identisch, wenn die Bedingung ηλ - \ i2 - 1 = Q If an opto-cement is used as the immersion medium, in which excessive movements could induce disturbing voltages, it is advantageous if the first optical component and the second optical component are each movable in a direction of movement perpendicular to the optical axis by a distance of a maximum of 50 pm. The maximum possible distance over which the components can be moved without inducing disturbing stresses depends in particular on the shear modulus of the opto-cuttings used. It is particularly advantageous if the first optical component and the second optical component can each be moved by a distance of a maximum of 20 μm, in particular of a maximum of 10 μm, since this increases the number of usable optical elements. When using an immersion liquid as immersion medium but also displacement paths in the millimeter range are possible. The effect of the wavefront manipulator is exactly identical for two wavelengths λι and λ 2 if the condition η λ - \ i 2 - 1 = Q
exakt eingehalten ist. Beispielsweise verschwindet in diesem Fall der Farblängsfehler eines als Variolinse ausgebildeten Wellenfrontmaipulators exakt. Manche Autoren sprechen dann von einem „Dichromaten" bzw. „dichromatischer Korrektion", was sprachlich präziser ist als„Achromat" bzw. „achromatische Korrektion", sich aber in der Literatur nicht allgemein als Sprachgebrauch durchgesetzt hat. Die beiden Wellenlängen λι und λ2 sind dabei diejenigen Wellenlängen, auf die sich die beiden Abbeschen Zahlen als Nebenwellenlängen beziehen, wenn man, wie üblich, definiert:
Figure imgf000008_0001
exactly maintained. For example, in this case the color longitudinal error of a wavefront manipulator embodied as a variometer disappears exactly. Some authors then speak of a "dichromate" or "dichromatic correction", which is linguistically more precise than "Achromat" or "achromatic correction", but has not generally prevailed in the literature as a linguistic usage. The two wavelengths λι and λ 2 are the wavelengths to which the two Abbe numbers refer as secondary wavelengths, if, as usual, defined:
Figure imgf000008_0001
Manche Autoren bezeichnen die Abbezahl dann auch mit Angabe der beiden Nebenwellenlängen λι und λ2 im Index des Formelzeichens. Um hier nicht mit den Indizes 1 und 2 in Konflikt zu kommen, die sich im Rahmen der Erfindung auf die beiden Medien (bspw. Glas und Immersionsflüssigkeit) beziehen, sind die Wellenlängen der größeren Klarheit wegen in Klammern dem Symbol für die Abbesche Zahl nachgestellt. Some authors then denote the Abbe number with specification of the two auxiliary wavelengths λι and λ 2 in the index of the formula character. In order not to conflict here with the indices 1 and 2, which refer in the context of the invention to the two media (eg, glass and immersion liquid), the wavelengths for greater clarity in brackets the symbol for the Abbe number adjusted.
Ein achromatischer Wellenfrontmanipulator, also ein Wellenfrontmanipulator, mit dem eine Wellenfrontmanipulation im Wesentlichen ohne Farbfehler herbeiführt werden kann, lässt sich bspw. erhalten, wenn die erste optische Komponente und die zweite optische Komponente aus demselben Material bestehen und das Material der optischen Komponenten und das Immersionsmedium die folgende Bedingung erfüllen:
Figure imgf000008_0002
An achromatic wavefront manipulator, ie a wavefront manipulator, with which a wavefront manipulation can be brought about essentially without color aberration, can be obtained, for example, if the first optical component and the second optical component consist of the same material and the material of the optical components and the immersion medium fulfill the following condition:
Figure imgf000008_0002
Dabei bezeichnen ni und vi den Brechungsindex bzw. die Abbesche Zahl des Materials der optischen Komponenten und n2 und v2 den Brechungs- index bzw. die Abbesche Zahl des Immersionsmediums. Das Erfüllen der oben genannten Ungleichung führt zu einem zumindest näherungsweise achromatischen Wellenfrontmanipulator mit verringerten Farbfehlern, die in einigen Anwendungsfällen bereits als ausreichend erachtet werden kann. Um eine für eine große Anzahl von Anwendungsfällen eine brauchbare Achromatisierung zu erhalten, ist es jedoch vorteilhaft, wenn die strengere Ungleichung
Figure imgf000009_0001
erfüllt ist. Wenn ein besonders hochwertiger achromatischer Wellenfront- manipulator geschaffen werden soll, sollte die noch strengere Ungleichung
Figure imgf000009_0002
erfüllt sein.
Ni and vi denote the refractive index and the Abbe number respectively of the material of the optical components, and n 2 and v 2 denote the refractive index. index or the Abbe number of the immersion medium. Fulfillment of the above-mentioned inequality leads to an at least approximately achromatic wavefront manipulator with reduced chromatic aberrations, which in some applications can already be considered sufficient. However, to obtain useful achromatization for a large number of applications, it is advantageous if the stricter inequality
Figure imgf000009_0001
is satisfied. If a particularly high-quality achromatic wavefront manipulator is to be created, the even stricter inequality should
Figure imgf000009_0002
be fulfilled.
Der beschrieben achromatische Wellenfrontmanipulator kann insbesondere als achromatische Linse mit variabler Brechkraft, also als achromatische Variolinse, ausgestaltet sein, wenn die Freiformflächen der optischen Elemente zum Beeinflussen des parabolischen Anteils der Wellenfront ausgelegt sind. Wenn ein bestimmter Wellenfrontfehler, der sich durch seine Abhängigkeit von den Pupillenkoordinaten oder alternativ durch Nennung der Zernike-Ordnung eindeutig beschreiben lässt, durch den Wellenfront- manipulator beeinflusst werden soll, so ist das Flächenprofil in Richtung parallel zur Schieberichtung der Elemente proportional zur Stammfunktion dieser Pupillenfunktion, und senkrecht dazu proportional zur Pupillenfunktion selbst zu wählen. The described achromatic wavefront manipulator can be embodied, in particular, as an achromatic lens with variable refractive power, that is to say as an achromatic variolynx, if the free-form surfaces of the optical elements are designed to influence the parabolic component of the wavefront. If a particular wavefront error, which can be clearly described by its dependency on the pupil coordinates or alternatively by reference to the Zernike order, is to be influenced by the wavefront manipulator, the surface profile in the direction parallel to the sliding direction of the elements is proportional to the parent function of this pupil function , and to choose perpendicularly proportional to the pupil function itself.
Durch geeignete Wahl der Form der Freiformflächen kann jede beliebige Wellenfrontmanipulation bei der Grundwellenlänge herbeigeführt werden, ohne nennenswerte Farbfehler zu generieren. Die Grad, bis zu dem Farbfehler vermieden werden, hängt dabei davon ab, wie groß die in der obigen Ungleichung einzuhaltenden Grenzen gewählt sind. Analog zur Bedingung für die Erzielung achromatischer (genauer: dichromatischer) Korrektion des Wellenfrontmanipulators lässt sich auch eine entsprechende Bedingung für apochromatische (präziser: trichromatische) Korrektion und eine explizite Bedingung für das Verschwinden des Sekundären Spektrums aufstellen Die Bedingung für Trichromasie lässt sich beispielsweise bei Kombination von zwei erfindungsgemäßen Variolinsen (mit je zwei zueinander bewegbaren Freiformelementen und je einer eingeschlossenen„Immersionslinse") leicht erfüllen und hat als bevorzugte Auslegung des Wellenfrontmanipulators insofern auch hohe Relevanz. Mit einem erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator lässt sich ein Farbfehler, insbesondere der Farblängsfehler, aber nicht nur gezielt auf Null setzen, um eine Achromatisierung zu erreichen, sondern der Wellenfrontmanipulator kann bei anderer Wahl der optischen Medien beispielsweise auch so ausgebildet werden, dass ein definierter Farbfehler für eine Rand- oder Nebenwellenlängen des transmittierten Wellenlängenbereiches generiert wird. Ohne weitere Maßnahmen wird dabei in der Regel gleichzeitig eine definierte Brechkraftänderung, also ein definierte Defokussierung, für eine mittlere Wellenlänge des transmittierten Wellenlängenbereiches herbeigeführt. In manchen Anwendungsfällen kann dies hingenommen werden. Häufig ist es jedoch wünschenswert, einen definierten Farbfehler für einen Rand- oder Nebenwellenlängen des transmittierten Wellenlängenbereiches zu generieren, ohne dabei für die mittlere Wellenlänge einen Defokus herbeizuführen. Dies ist mit einem erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator möglich, in dem die erste optische Komponente und die zweite optische Komponente aus demselben Material bestehen und das Material der optischen Komponenten und das Immersionsmedium die folgenden Bedingungen erfüllen: By suitable choice of the shape of the free-form surfaces, any wavefront manipulation at the fundamental wavelength can be brought about without generating appreciable chromatic aberrations. The degree to which color errors are avoided depends on how large the limits to be met in the above inequality are. Analogous to the condition for achieving achromatic (more precisely: dichromatic) correction of the wavefront manipulator, a corresponding condition for apochromatic (more precisely: trichromatic) correction and an explicit condition for the disappearance of the secondary spectrum can be established. For trichromaticity, for example, a combination of Two zoom lenses according to the invention (each with two mutually movable free-form elements and one enclosed "immersion lens") and thus has high relevance as a preferred design of the wavefront manipulator with a wavefront manipulator according to the invention, a color error, especially the longitudinal chromatic aberration, but not only targeted Zero to achieve achromatization, but the wavefront manipulator can be formed, for example, with a different choice of optical media, that a defined color error for a Rand or Nebenwellenlängen the transmitted wavelength range is generated. Without further measures, a defined refractive power change, that is to say a defined defocusing, is generally brought about at the same time for a mean wavelength of the transmitted wavelength range. In some applications this can be tolerated. Often, however, it is desirable to generate a defined chromatic aberration for an edge or minor wavelength of the transmitted wavelength range without causing defocus for the central wavelength. This is possible with a wavefront manipulator according to the invention, in which the first optical component and the second optical component consist of the same material and the material of the optical components and the immersion medium fulfill the following conditions:
In. - «J < 0,05 In. - «J <0.05
Dabei bezeichnen ni und v-\ den Brechungsindex bzw. die Abbesche Zahl des Materials der optischen Komponenten und n2 und V2 den Brechungsindex bzw. die Abbesche Zahl des Immersionsmediums. Ein Wellenfrontmanipulator, der die genannten Ungleichungen erfüllt, stellt einen Wellenfrontmanipulator zum gezielten Beeinflussen der chromatischen Variation des Wellenfronteingriffs dar. In this case, ni and v- \ denote the refractive index and the Abbe number of the material of the optical components and n2 and V2 the refractive index and Abbe's number of the immersion medium. One Wavefront manipulator, which satisfies the aforementioned inequalities, represents a wavefront manipulator for selectively influencing the chromatic variation of the wavefront intervention.
Je geringer der Unterschied zwischen dem Brechungsindex ni des Materials der optischen Komponenten und dem Brechungsindex Π2 des Immersionsmediums ausfällt (im Idealfall ist n1 = n2), desto weniger ändert sich die Fokuslage bei der mittleren Wellenlänge bei Einstellung eines vorgegebenen Farbfehlers. Je mehr sich hierbei die Dispersionseigenschaften beschreibende Abbezahl vi des Materials der optischen Komponenten von der Abbezahl v2 des Immersionsmediums unterscheidet, desto kleiner können die lateralen Verschiebewege und desto flacher können die Freiformprofile, die zur Erzielung einer vorgegebenen chromatischen Variation des Elements nötig sind, ausfallen. Es ist daher vorteilhaft, wenn statt der obigen Bedingung die strengere Bedingung Ι^ -η^ Ο,ΟΙ The smaller the difference between the refractive index ni of the material of the optical components and the refractive index Π2 of the immersion medium precipitates (ideally n1 = n 2 ), the less changes the focal position at the central wavelength when setting a predetermined color error. The more that the dispersion characteristics descriptive Abbezahl vi of the material of the optical components of the Abbezahl v 2 of the immersion medium, the smaller the lateral displacement paths and the flatter can the free-form profiles, which are necessary to achieve a given chromatic variation of the element precipitate. It is therefore advantageous if, instead of the above condition, the more stringent condition Ι ^ -η ^ Ο, ΟΙ
| j - v2| >10 erfüllt ist. Besonders vorteilhaft ist es, wen die noch strengere Bedingung
Figure imgf000011_0001
| j - v 2 | > 10 is fulfilled. It is particularly beneficial to whom the even more stringent condition
Figure imgf000011_0001
erfüllt ist. is satisfied.
In dem beschriebenen Wellenfrontmanipulator zum gezielten Beeinflussen der chromatischen Variation des Wellenfronteingriffs kann das Material der optischen Komponenten bspw. Glas, kristallines Material oder Kunststoff sein. Als Immersionsmedium kommt bspw. ein organischer Kohlenwasserstoff, Wasser oder eine wässrige Lösung in Betracht. In einem Beispiel für eine Materialkombination ist das Material der optischen Komponenten Kunststoff, das Immersionsmedium eine mit Alkali-Ionen dotierte wässrige Lösung oder eine Salzlösung. Der erfindungsgemäße Wellenfrontmanipulator ist nicht nur im sichtbaren Spektralbereich einsetzbar, sondern auch im UV-Spektralbereich. Hierfür kann als Material der optischen Komponenten bspw. Quarzglas oder ein kristallines Material gewählt sein. Als Immersionsmedium kommt dann insbesondere hochreines Wasser in Betracht. In the wavefront manipulator described for selectively influencing the chromatic variation of the wavefront engagement, the material of the optical components can be, for example, glass, crystalline material or plastic. An example of an immersion medium is an organic hydrocarbon, water or an aqueous solution. In one example of a material combination, the material of the optical components is plastic, the immersion medium is an alkali-ion-doped aqueous solution, or a saline solution. The wavefront manipulator according to the invention can be used not only in the visible spectral range but also in the UV spectral range. For this purpose, as the material of the optical components, for example, quartz glass or a crystalline material may be selected. In particular, highly pure water is considered as immersion medium.
Wenn die Struktur der refraktiven Freiformflächen der optischen Komponenten eine Überlagerung wenigstens zweier Strukturprofile umfasst, können gleichzeitig verschiedene, in beliebigem fest vorgegebenem Verhältnis zueinander stehende Wellenfrontmanipulationen ausgeführt werden. Bspw. kann die tatsächliche Freiformfläche der optischen Komponenten eine Überlagerung aus einer Freiformfläche zur Änderung der Brechkraft und einer Freiformfläche zur Änderung der Sphärischen Aberration gebildet sein. Eine entsprechende Variolinse variiert bei Verschiebung der optischen Komponenten gegeneinander eine Brechkraftwirkung und ändert gleichzeitig eine Sphärische Aberration, wobei beide Änderungen mit einem beliebig aber fest vorzuwählenden Proportionalitätsfaktor proportional zueinander sind. Auch in derartigen allgemeineren Anwendungsfällen lassen sich die oben dargelegten Regeln zur Materialauswahl zur Achromatisierung bzw. zur Herbeiführung eines definierten Farbfehlers sinngemäß anwenden. Gemäß einer Weiterbildung des Wellenfrontmanipulators ist sowohl die Vorderseite als auch die Rückseite einer optischen Komponente mit einer refraktiven Freiformfläche versehen. Diese Weiterbildung ermöglicht es Wellenfrontmanipulatoren mit Profiltiefen der Freiformflächen kleiner 30 pm, insbesondere kleiner 10 m zur Verfügung zu stellen. In einer besonderen Weiterbildung des Wellenfrontmanipulators kann der refraktiven Freiformfläche der ersten Komponente eine erste diffraktive Struktur und der refraktiven Freiformfläche der zweiten Komponente eine zweite diffraktive Struktur zugeordnet sein. Die zugeordneten diffraktiven Strukturen können dann dazu genutzt werden, eine wellenlängenabhängige Wirkung der jeweiligen refraktiven Freiformfläche zu beeinflussen. Mittels eines geeignet gewählten Immersionsmediums kann dann eine weitgehende Unabhängigkeit der Beugungseffizienz der diffraktiven Struktur von der Wellenlänge herbeigeführt werden, so dass man ein sog. effizienz- achromatisertes diffraktives optisches Element (EA-DOE) erhält. Die Unabhängigkeit der Beugungseffizienz von der Wellenlänge wird insbesondere dann erhalten, wenn die erste optische Komponente und die zweite optische Komponente aus demselben Material bestehen, das Material der optischen Komponenten und des Immersionsmediums Brechungsindizes aufweisen, deren Differenz eine lineare Funktion der Wellenlänge ist, und das Material/Medium mit dem niedrigeren Brechungsindex eine höhere Dispersion aufweist als das Material/Medium mit dem höheren Brechungsindex. Die Form einer refraktiven Freiformfläche kann jeweils durch eine Polynomentwicklung beschrieben sein, die in endlich vielen bestimmten Polynomordungen von Null verschiedene Entwicklungskoeffizienten aufweist. Die einer refraktiven Freiformfläche zugehörige diffraktive Struktur wird dann durch eine Polynomentwicklung beschrieben, die in denselben Polynomordnungen wie die Polynomentwicklung der refraktiven Freiformfläche von Null verschiedene Entwicklungskoeffizienten aufweist. Diejenigen Entwicklungskoeffizienten einer eine refraktive Freiformfläche beschreibenden Polynomentwicklung und der die zugehörige diffraktive Struktur beschreibenden Polynomentwicklung, welche jeweils derselben Polynomordnung zugeordnet sind, stehen dabei in einem festen funktionalen Zusammenhang zueinander. Dabei können die jeweils derselben Polynomordnung zugeordneten Entwicklungskoeffizienten einer eine refraktive Freiformfläche beschreibenden Polynomentwicklung und der die zugehörige diffraktive Struktur beschreibenden Polynomentwicklung insbesondere in einem linearen funktionalen Zusammenhang stehen. Der funktionale Zusammenhang kann insbesondere von dem in der jeweiligen optischen Komponente verwendeten Material, d.h. von dessen Dispersion, abhängen. Insbesondere kann hierbei ein gleicher funktionaler Zusammenhang für alle Polynomordnungen mit von Null verschiedenen Koeffizienten vorliegen. If the structure of the refractive free-form surfaces of the optical components comprises a superposition of at least two structural profiles, different wavefront manipulations in any fixed predetermined relationship can be carried out simultaneously. For example. For example, the actual free-form surface of the optical components may be formed by an overlay of a free-form surface for changing the refractive power and a free-form surface for changing the spherical aberration. A corresponding variola varies with the displacement of the optical components against each other a refractive power and at the same time changes a spherical aberration, both changes are proportional to each other with an arbitrary but firmly vorzuswählenden proportionality factor. Even in such more general applications, the rules set out above for material selection for achromatization or for producing a defined chromatic aberration can be applied mutatis mutandis. According to one development of the wavefront manipulator, both the front side and the rear side of an optical component are provided with a refractive free-form surface. This development makes it possible to provide wavefront manipulators with profile depths of the freeform surfaces smaller than 30 μm, in particular smaller than 10 m. In a particular development of the wavefront manipulator, the refractive free-form surface of the first component may be assigned a first diffractive structure and the refractive free-form surface of the second component a second diffractive structure. The associated diffractive structures can then be used to influence a wavelength-dependent effect of the respective refractive free-form surface. By means of a suitably chosen immersion medium, it is then possible to bring about a far-reaching independence of the diffraction efficiency of the diffractive structure from the wavelength, so that a so-called efficiency Achromatized diffractive optical element (EA-DOE) receives. The independence of the diffraction efficiency from the wavelength is obtained, in particular, when the first optical component and the second optical component consist of the same material, the material of the optical components and of the immersion medium have refractive indices whose difference is a linear function of the wavelength, and the material / Medium having the lower refractive index has a higher dispersion than the material / medium having the higher refractive index. The shape of a refractive free-form surface can be described in each case by a polynomial winding which has development coefficients that are different from zero in finitely many specific polynomial orders. The diffractive structure associated with a refractive free-form surface is then described by a polynomial winding which has non-zero development coefficients in the same polynomial orders as the polynomial winding of the refractive free-form surface. Those development coefficients of a polynomial winding describing a refractive free-form surface and the polynomial winding describing the associated diffractive structure, which are each assigned the same polynomial order, are in a fixed functional relationship to one another. In this case, the development coefficients respectively associated with the same polynomial order of a polynomial winding describing a refractive free-form surface and the polynomial winding describing the associated diffractive structure may be in a linear functional relationship in particular. The functional relationship may in particular depend on the material used in the respective optical component, ie on its dispersion. In particular, an identical functional relationship can be present for all polynomial orders having coefficients other than zero.
Die Polynome der ersten und der zweiten Polynomentwicklung können jeweils von zwei Variablen anhängen, die verschiedene Richtungen senkrecht zur optischen Achse des optischen Elements repräsentieren. Dabei können die beiden Richtungen senkrecht aufeinander stehen, wobei die eine Richtung der Bewegungsrichtung der optischen Komponenten entspricht und wobei die eine refraktive Freiformfläche beschreibende Polynomentwicklung und die die zugehörige diffraktive Struktur beschreibende Polynomentwicklung jeweils nur ungerade Polynomordnungen in derjenigen Variablen aufweisen, welche die Bewegungsrichtung der optischen Komponenten repräsentiert. Die eine refraktive Freiformfläche beschreibende Polynomentwicklung und die die zugehörige diffraktive Struktur beschreibende Polynomentwicklung brauchen dann jeweils nur gerade Polynomordnungen in derjenigen Variablen aufzuweisen, welche die zur Bewegungsrichtung der optischen Komponenten senkrechte Richtung repräsentiert. The polynomials of the first and second polynomial windings may each be appended by two variables representing different directions perpendicular to the optical axis of the optical element. In this case, the two directions can be perpendicular to one another, wherein the one direction corresponds to the direction of movement of the optical components and wherein the polynomial winding describing a refractive free-form surface and the polynomial winding describing the associated diffractive structure each have only odd polynomial orders in those variables which the direction of movement of the optical components represents. The polynomial winding describing a refractive free-form surface and the polynomial winding describing the associated diffractive structure then each need only have straight polynomial orders in that variable which represents the direction perpendicular to the direction of movement of the optical components.
Weitere Einzelheiten zur Konstruktion der diffraktiven Flächen und zur Anwendung von mit diffraktiven Strukturen und Freiformflächen versehenen optischen Elementen sind die DE 10 2011 055 777 beschrieben, auf die hinsichtlich dieser Aspekte verwiesen wird. Further details on the design of the diffractive surfaces and on the use of optical elements provided with diffractive structures and free-form surfaces are described in DE 10 2011 055 777, to which reference is made with regard to these aspects.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein optisches Gerät zur Verfügung gestellt. Das erfindungsgemäße optische Gerät kann bspw. Ein optisches Beobachtungsgerät wie etwa ein Mikroskop, insbesondere Operationsmikroskop, ein Teleskop, eine Kamera, etc. sein. Es kann aber auch ein anderes optisches Gerät wie bspw. eine optische Messeinrichtung sein. Es ist mit wenigstens einem erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator ausgestattet. In dem erfindungsgemäßen optischen Gerät können daher die mit Bezug auf das erfindungsgemäße optische Element beschriebenen Wirkungen und Vorteile erzielt werden. According to a second aspect of the invention, an optical device is provided. The optical device according to the invention can be, for example, an optical observation device such as a microscope, in particular a surgical microscope, a telescope, a camera, etc. But it can also be another optical device such as, for example, an optical measuring device. It is equipped with at least one wavefront manipulator according to the invention. Therefore, in the optical device of the present invention, the effects and advantages described with respect to the optical element of the present invention can be obtained.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird eine Verwendung wenigstens eines erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulators zur Verfügung gestellt. In der erfindungsgemäßen Verwendung dient wenigstens ein erfindungsgemäßer Wellenfrontmanipulator zum Herbeiführen einer oder mehrerer der nachfolgend genannten Korrektionen bzw. Reduktionen: dichromatische Korrektion, trich romatische Korrektion, Reduktion des sekundären Spektrums, Reduktion des tertiären Spektrums. Eine trichromatische Korrektion kann dabei bspw. durch eine Verwendung wenigstens zweier erfindungsgemäßer Wellenfrontmanipulatoren herbeigeführt werden. Es besteht aber auch die Möglichkeit, ein trichromatische Korrektion mit nur einem erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator herbeizuführen, wenn dieser mit einer diffraktiven Struktur, wie sie weiter vorne beschrieben worden ist, ausgestattet ist. Die durch die zusätzliche diffraktive Struktur gewonnenen zusätzlichen Freiheitsgrade können zur trichromatischen Korrektion herangezogen werden, weil die diffraktive Struktur nach dem Sweatt-Modell einer Linse aus einem Material mit äquivalenter (negativer) Abbezahl entspricht. Somit weist ein Wellenfrontmanipulator aus zwei bewegten Freiformelementen mit einem dazwischen befindlichen Immersionsmedium und einer diffraktiven Struktur auf den Freiformelementen drei unabhängig voneinander einstellbare Brechkräfte auf, mit denen sich die Trichromasiebedingung erfüllen lässt. According to a third aspect of the invention, a use of at least one wavefront manipulator according to the invention is provided. In the use according to the invention, at least one wavefront manipulator according to the invention serves to bring about one or more of the following corrections or reductions: dichromatic correction, trichromatic correction, reduction of the secondary spectrum, reduction of the tertiary spectrum. A trichromatic correction can, for example, be brought about by using at least two wavefront manipulators according to the invention. However, it is also possible to bring about a trichromatic correction with only one wavefront manipulator according to the invention, if it is equipped with a diffractive structure as described above. The additional degrees of freedom gained by the additional diffractive structure can be used for trichromatic correction, because the diffractive structure according to the Sweatt model corresponds to a lens made of a material with an equivalent (negative) Abbe number. Thus, a wavefront manipulator comprising two moving free-form elements with an immersion medium located therebetween and a diffractive structure on the free-form elements has three independently adjustable refractive powers with which the trichromatic condition can be fulfilled.
Die Bedingung für das Verschwinden des sekundären bzw. tertiären Spektrums erfordert mindestens ein Medium, dessen Teildispersion von der Normalgeraden abweicht. Diese Bedingung lässt sich mit einer erfindungsgemäßen Variolinse bzw. einem erfindungsgemäßen Wellenfrontmaipulator ebenfalls theoretisch wie praktisch erfüllen, da die bekannten Immersionsöle wie beispielsweise das Immersol 518N chemisch bedingt (quasi von Natur aus) eine anormale Teildispersion mitbringen. Man kann also in einer erfindungsgemäßen Variolinse, deren Freiformelemente aus einem Normalglas (Glas, dessen Dispersionsverhalten der Normalgeraden folgt) gebildet sind, zwischen denen sich ein übliches Immersionsöl befindet, die Bedingung für das Verschwinden des Sekundären Spektrums tatsächlich ohne größere Schwierigkeiten erfüllen. The condition for the disappearance of the secondary or tertiary spectrum requires at least one medium whose partial dispersion deviates from the normal straight line. This condition can also theoretically and practically meet with a variolysis invention or a wavefront manipulator according to the invention, since the known immersion oils, such as, for example, the Immersol 518N, bring about an abnormal partial dispersion for chemical reasons. Thus, in a variola invention according to the invention whose free-form elements are formed from a standard glass (glass whose dispersion behavior follows the normal straight line), between which a conventional immersion oil is located, one can actually meet the condition for the disappearance of the secondary spectrum without great difficulty.
In einer weiteren Verwendung eines erfindungsgemäßen Wellenfront- manipulators kann dieser zum Herbeiführen einer stellungsabhängigen Korrektion wenigstens eines Wellenfrontfehlers in einem Zoomobjektiv herangezogen werden. Hierzu kann der Wellenfrontmanipulator insbesondere im Bereich eines (näherungsweise) kollimierten Strahlengangs im Zoomobjektiv angeordnet und jeweils abhängig von der Stellung des Zoomobjektivs lateral so ausgelenkt werden, dass er einen Wellenfrontfehler (z.B. einen Farblängsfehler, eine Sphährische Aberration, etc.) des Zoomobjektivs kompensiert. In a further use of a wavefront manipulator according to the invention, this can be used to bring about a position-dependent correction of at least one wavefront error in a zoom lens. For this purpose, the wavefront manipulator can be arranged in particular in the region of an (approximately) collimated beam path in the zoom lens and can be laterally deflected depending on the position of the zoom lens in such a way that it produces a wavefront error (eg, a longitudinal chromatic aberration, a spherical aberration, etc.) of the zoom lens.
Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungs- beispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren. Further features, properties and advantages of the present invention will become apparent from the following description of exemplary embodiments with reference to the accompanying figures.
Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator in einer schematischen Darstellung. Figure 1 shows a first embodiment of a wavefront manipulator according to the invention in a schematic representation.
Figur 2 zeigt eine alternative Ausführungsvariante für den erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator in einer schematischen Darstellung. Figure 2 shows an alternative embodiment of the wavefront manipulator according to the invention in a schematic representation.
Figuren 3 und 4 zeigen eine festbrennweitige Optik und die auftretenden Figures 3 and 4 show a festbrennweitige optics and the occurring
Farbfehler.  Chromatic aberrations.
Figuren 5 bis 9 zeigen eine Optik mit einem Wellenfrontmanipulator in verschiedenen Stellungen. FIGS. 5 to 9 show an optic with a wavefront manipulator in various positions.
Figuren 10 bis 14 zeigen die zu den in den Figuren 5 bis 9 dargestellten FIGS. 10 to 14 show those shown in FIGS. 5 to 9
Positionen der verschiebbaren Komponenten zugehörigen Farbfehler ohne Immersionsmedium zwischen den optischen Komponenten des Wellenfrontmanipulators.  Positions of the displaceable components associated color errors without immersion medium between the optical components of the wavefront manipulator.
Figuren 15 bis 19 zeigen die zu den in den Figuren 5 bis 9 dargestellten FIGS. 15 to 19 show those shown in FIGS. 5 to 9
Positionen der verschiebbaren Komponenten zugehörigen Farbfehler bei Verwendung eines Immersionsmediums zwischen den optischen Komponenten des Wellenfrontmanipulators. Figur 20 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel für den erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator in einer schematischen Darstellung. zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel für den erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator in einer schematischen Darstellung. Color errors associated with positions of the displaceable components when using an immersion medium between the optical components of the wavefront manipulator. FIG. 20 shows a third exemplary embodiment of the wavefront manipulator according to the invention in a schematic representation. shows a third embodiment of the wavefront manipulator according to the invention in a schematic representation.
Bevor auf Ausführungsbeispiel der Erfindung eingegangen wird, werden kurz die Bedingungen für Dichromasie, Trichromasie und zur Korrektion des Sekundären Spektrums dargestellt. Before discussing an embodiment of the invention, the conditions for dichromaticity, trichromaticity and correction of the secondary spectrum are briefly outlined.
Die Bedingung für Achromasie einer Variolinse aus beliebig vielen Elementen lautet:
Figure imgf000017_0001
The condition for achromatism of a variolysis of any number of elements is:
Figure imgf000017_0001
Dabei bezeichnt c j die Brechkaft der j-ten Linse und (λι, Xi) die zugehörige Abbesche Zahl des Mediums, aus dem die Linse gebildet ist, mit Bezug auf die Nebenwellenlängen λ-ι, λ, definiert durch:
Figure imgf000017_0002
Wenn gleichzeitig eine vorgegebene Systembrachkraft Oges erreicht werden soll, ist ferner folgende Nebenbedingung zu erfüllen:
Figure imgf000017_0003
In this case, cj denotes the refractive power of the jth lens and (λι, Xi) the associated Abbe number of the medium from which the lens is formed with reference to the auxiliary wavelengths λ-1, λ, defined by:
Figure imgf000017_0002
If at the same time a predetermined system breaking force O tot is to be achieved, the following additional condition must also be fulfilled:
Figure imgf000017_0003
Bei einer dichromatisch („achromatisch") korrigierten Optik ist die Systembrechkraft bei den zwei Wellenlängen λι und λ2 exakt gleich. Man sagt dann, dass der primäre Farblängsfehler verschwindet. In a dichromatic ("achromatic") corrected optical system, the system refractive power is exactly the same for the two wavelengths λι and λ 2. It is then said that the primary longitudinal chromatic aberration disappears.
Bei allen anderen Wellenlängen, insbesondere bei der mittleren Wellenlänge, λο weicht sie jedoch immer noch ab. Die Abweichung nennt man das „Sekundäre Spektrum" des Farblängsfehlers. However, at all other wavelengths, especially at the center wavelength, λο still deviates. The deviation is called the "secondary spectrum" of the longitudinal chromatic aberration.
Auf andere Wellenfrontwirkungen des Wellenfrontmanipulatorelements lässt sich die obige Argumentation sinngemäß unmittelbar übertragen. Die Dichromasiebedingung bleibt exakt bestehen und an die Stelle der zweiten Gleichung (konstante Brechkraft) tritt eine analoge Gleichtung, die eine Forderung (Nebenbedingung) für die Systemgesamtwirkung auf den gewünschten Wellenfrontfehler (z.B. Sphärische Aberration) aufstellt. Zur Korrektion des Sekundären Spektrums definiert man als sogenannten Teildispersionskoeffizienten P eines Mediums bei der Bezugswellenlänge λο und den Nebenwellen-Iängen λι und λ2 die Größe
Figure imgf000018_0001
For other wavefront effects of the wavefront manipulator element, the above reasoning can be directly transmitted analogously. The The dichroism condition remains exactly and the second equation (constant power) is replaced by an analogue equalization setting a requirement (constraint) for the overall system effect on the desired wavefront error (eg, spherical aberration). To correct the secondary spectrum, the size is defined as the so-called partial dispersion coefficient P of a medium at the reference wavelength λο and the spurious wavelengths λι and λ2
Figure imgf000018_0001
Die Bedingung für das Verschwinden des Sekundären Spektrums bei λ0 lautet explizit:
Figure imgf000018_0002
The condition for the disappearance of the secondary spectrum at λ 0 is explicitly:
Figure imgf000018_0002
Diese zusätzliche Bedingung lässt sich nur dann erfüllen, wenn mindestens ein Medium einen Teildispersionskoeffizienten P aufweist, der signifikant von der sogenannten Normalgeraden abweicht. Es zeigt sich, dass bspw. organische Immersionsöle deutlich von der für optische Gläser bekannten Normalgeraden der Dispersionsbeziehung abweichen. Folglich lässt sich eine erfindungsgemäße Variolinse bzw. ein erfindungsgemäßer Wellenfrontmanipulator so auslegen, dass das Sekundäre Spektrum verschwindet. Ganz explizit heißt das, dass die Wellenfrontwirkung des erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulators bei Einhaltung der obigen Bedingung bei 3 Wellenlängen λο, λι und λ2 eine exakt identische (vorgegebene) Wirkung aufweisen kann. Bei einem Trichromaten („Apochromaten") ist in Verallgemeinerung der obigen Bedingungen, die Wellenfrontwirkung eines erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulators bei genau drei Wellenlängen λο, λι und λ2 exakt gleich. Die explizite Bedingung für Trichromasie in einem System mit mindestens drei voneinander unabhängig einstellbaren Brechkräften und Medien kann gängigen Lehrbüchern entnommen werden. Ein erstes Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Wellenfront- manipulator ist in Figur 1 dargestellt. Der Wellenfrontmanipulator umfasst zwei optische Komponenten 1 , 3, die entlang einer optischen Achse OA hintereinander angeordnet sind und lateral, d.h. senkrecht zur optischen Achse OA, gegeneinander verschiebbar angeordnet sind, wie in der Figur durch die Pfeile in -y und +y-Richtung angedeutet ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist jede der beiden optischen Komponenten 1 , 3 an einer Seite eine refraktive Freiformfläche 5, 7 und an der von der Freiformfläche abgewandten Seite eine Planfläche 9, 11 auf. Die optischen Komponenten 1 , 3 sind derart relativ zueinander angeordnet, dass ihre Freiformflächen 5, 7 einander gegenüber liegen. Die Freiformflächen 5, 7 verhalten sich in einer Nullposition exakt komplementär zueinander, so dass die beiden optischen Komponenten 1 , 3 in einer Nullposition einer planparallelen Platte äquivalent sind. Zwischen den beiden optischen Elementen 1 , 3 befindet sich ein Immersionsmedium 13, das in dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel eine Flüssigkeit wie etwa hochreines Wasser, eine Salzlösung, ein Immersionsöl, etc. ist. Um die Flüssigkeit im Zwischenraum zwischen den beiden optischen Komponenten 1 , 3 zu halten, ist die Umfangsfläche des Wellenfrontmanipulators mit einer elastischen Manschette 15 versehen, die ein Auslaufen des flüssigen Immersionsmediums 13 verhindert und auch bei der laterale Bewegung der optischen Komponenten 1 , 3 relativ zueinander dicht hält. Die Manschette 15 kann bspw. von einer Kunststofffolie gebildet sein. Statt einer Manschette aus elastischem Material kann aber auch eine andere flüssigkeitsdichte Versiegelung zur Anwendung kommen, bspw. in Form einer Balgkonstruktion. Da die laterale Bewegung der optischen Komponenten 1 , 3 in vielen Fällen nur Bruchteile von Millimetern beträgt, sind eine Vielzahl von gängigen flüssigkeitsdichten Versiegelungen grundsätzlich anwendbar. Bspw. besteht als weitere Alternative die Möglichkeit, die von der Immesrsionsflüssigkeit zu benetzenden Flächen mit einer adhäsiven Beschichtung zu versehen, die einen dünnen Immersionsfilm zwischen den Freiformflächen durch Adhäsionskräfte festhält und so ein Auslaufen der Immersionsflüssigkeit verhindert. Die optischen Komponenten 1 , 3 selbst können bspw. aus Glas, aus Kunststoff oder aus kristallinem Material bestehen. Die Wahl des Materials kann insbesondere von dem beabsichtigten Einsatzzweck des Wellenfrontmanipulators abhängen. Wenn dieser im optischen Spektral- bereich zum Einsatz kommen soll, wird die Wahl in der Regel auf Glas oder Kunststoff fallen. Wenn er dagegen im ultravioletten Spektralbereich zum Einsatz kommen soll, werden die optischen Komponenten 1 , 3 typischerweise aus Quarzglas oder einem kristallinen Material, etwa aus Calciumfluorid oder Bariumfluorid, bestehen. Als Immersionsflüssigkeit kommt im ultravioletten Spektralbereich bspw. hochreines Wasser in Betracht. This additional condition can only be fulfilled if at least one medium has a partial dispersion coefficient P which deviates significantly from the so-called normal straight line. It turns out that, for example, organic immersion oils differ significantly from the normal lines of the dispersion relationship known for optical glasses. Consequently, a variolysis invention or a wavefront manipulator according to the invention can be designed such that the secondary spectrum disappears. Quite explicitly this means that the wavefront effect of the wavefront manipulator according to the invention can have an exactly identical (predetermined) effect at 3 wavelengths λο, λι and λ2 when the above condition is met. In a trichromat ("apochromats"), in generalization of the above conditions, the wavefront effect of a wavefront manipulator according to the invention at exactly three wavelengths λο, λι and λ2 are exactly the same The explicit condition for trichromaticity in a system with at least three independently adjustable powers and media taken from popular textbooks. A first exemplary embodiment of a wavefront manipulator according to the invention is shown in FIG. The wavefront manipulator comprises two optical components 1, 3, which are arranged one behind the other along an optical axis OA and are arranged laterally, ie perpendicular to the optical axis OA, displaceable relative to one another, as indicated in the figure by the arrows in -y and + y direction is. In the present exemplary embodiment, each of the two optical components 1, 3 has a refractive free-form surface 5, 7 on one side and a plane surface 9, 11 on the side remote from the free-form surface. The optical components 1, 3 are arranged relative to one another such that their free-form surfaces 5, 7 lie opposite one another. The free-form surfaces 5, 7 behave in a zero position exactly complementary to each other, so that the two optical components 1, 3 are equivalent in a zero position of a plane-parallel plate. Between the two optical elements 1, 3 there is an immersion medium 13, which in the exemplary embodiment shown in FIG. 1 is a liquid such as ultrapure water, a salt solution, an immersion oil, etc. In order to hold the liquid in the space between the two optical components 1, 3, the peripheral surface of the wavefront manipulator is provided with an elastic sleeve 15, which prevents leakage of the liquid immersion medium 13 and also in the lateral movement of the optical components 1, 3 relative to each other keeps tight. The sleeve 15 may, for example, be formed by a plastic film. Instead of a cuff of elastic material but also another liquid-tight seal can be used, for example. In the form of a bellows construction. Since the lateral movement of the optical components 1, 3 is in many cases only fractions of a millimeter, a variety of common liquid-tight seals are basically applicable. For example. As a further alternative, it is possible to provide the surfaces to be wetted by the immersion liquid with an adhesive coating which holds a thin immersion film between the free-form surfaces by adhesive forces and thus prevents leakage of the immersion liquid. The optical components 1, 3 themselves may, for example, consist of glass, of plastic or of crystalline material. The choice of material may depend in particular on the intended use of the wavefront manipulator. If this is to be used in the optical spectral range, the choice will usually fall on glass or plastic. On the other hand, if it is to be used in the ultraviolet spectral range, the optical components 1, 3 will typically consist of quartz glass or a crystalline material, such as calcium fluoride or barium fluoride. As immersion liquid, for example, ultrapure water is considered in the ultraviolet spectral range.
Ein zweites Ausführungsbeispiel für den erfindungsgemäßen Wellenfront- manipulator ist in Figur 2 dargestellt. Elemente, die sich nicht von dem Wellenfrontmanipulator des ersten Ausführungsbeispiels unterscheiden, sind dabei in Figur 2 mit derselben Bezugsziffer wie in Figur 1 bezeichnet und werden nicht noch einmal erläutert, um Wiederholungen zu vermeiden. A second embodiment of the wavefront manipulator according to the invention is shown in FIG. Elements which do not differ from the wavefront manipulator of the first embodiment are designated in FIG. 2 with the same reference number as in FIG. 1 and will not be explained again in order to avoid repetitions.
Der Wellenfrontmanipulator des zweiten Ausführungsbeispiels unterscheidet sich von dem des ersten Ausführungsbeispiels dadurch, dass das Immersionsmedium von einem elastischen Optokitt 17 statt von einer Flüsigkeit gebildet wird. Auf eine elastische Manschette, wie sie im ersten Ausführungsbeispiel vorhanden ist, ist daher im zweiten Ausführungsbeispiel verzichtet. The wavefront manipulator of the second embodiment differs from that of the first embodiment in that the immersion medium is formed by an elastic optic material 17 instead of a liquid. On an elastic sleeve, as it is present in the first embodiment, is therefore omitted in the second embodiment.
Im Wellenfrontmanipulator des zweiten Ausführungsbeispiels ist vorteilhaft, wenn die beiden optischen Komponenten 1 , 3 jeweils in ihrer Bewegung senkrecht zur optischen Achse auf eine maximale Verschiebung von 50 pm beschränkt sind, um störende Spannungen im Optokitt 17 zu vermeiden. Die maximal mögliche Strecke, über die die optischen Komponenten bewegt werden können, ohne störende Spannungen zu induzieren, hängt dabei insbesondere vom Schubmodul des verwendeten Optokitts ab. Je nach verwendetem Optokitt 17 kann es daher vorteilhaft sein, wenn die optischen Komponenten 1 , 3 jeweils nur um eine Strecke von maximal 20 μιτι, oder gar nur um eine Strecke von von maximal 10 pm bewegbar sind. Unabhängig vom der Art des verwendeten Immersionsmediums weist der Wellenfrontmanipulator in der einfachsten Ausgestaltung genau zwei optische Komponenten 1 , 3 auf, die lateral verschoben werden können, d.h. transversal zur optischen Systemachse OA (vgl. Figur 1 und Figur 2, in der die eine optische Komponente 3 in +y verschoben wird, die andere optische Komponente 1 in -y Richtung, beide gegenläufig um gleiche Beträge). In wavefront manipulator of the second embodiment is advantageous if the two optical components 1, 3 are each limited in their movement perpendicular to the optical axis to a maximum displacement of 50 pm in order to avoid disturbing voltages in the optocouple 17. The maximum possible distance over which the optical components can be moved without inducing disturbing voltages depends in particular on the shear modulus of the opto-cuttings used. Depending on the optocouple used 17, it may therefore be advantageous if the optical components 1, 3 each only by a distance of a maximum of 20 μιτι, or even only by a distance of a maximum of 10 pm are movable. Regardless of the type of immersion medium used, the wavefront manipulator in the simplest embodiment has exactly two optical components 1, 3 which can be displaced laterally, ie transversely to the optical system axis OA (compare FIGS. 1 and 2, in which the one optical component 3 in + y is shifted, the other optical component 1 in -y direction, both in opposite directions by equal amounts).
Nachfolgend werden die Grundprinzipien zum Konstruieren der Freiformflächen dargelegt. The basic principles for designing the freeform surfaces are presented below.
Bevorzugt kann die Freiformfläche bei expliziter Flächendarstellung in der Form z(x,y) durch ein Polynom beschrieben werden, das in einer zur Bewegungsrichtung der optischen Komponenten 1 , 3 orthogonalen Richtung x nur gerade Potenzen von x aufweist und in einer zur Bewegungsrichtung parallelen Richtung y nur ungerade Potenzen von y aufweist. Die Freiformfläche z(x,y) kann zunächst allgemein beispielsweise durch eine Polynomentwicklung der Form oo In the case of an explicit area representation in the form z (x, y), the free-form surface may preferably be described by a polynomial having only straight powers of x in a direction orthogonal to the direction of movement of the optical components 1, 3 and in a direction y parallel to the direction of movement has only odd powers of y. The free-form surface z (x, y) can first generally, for example, by a polynomial winding of the form oo
z = Σ C xmyn (1) z = Σ C x m y n (1)
m,n = \ beschrieben werden, wobei Cm n den Entwicklungskoeffizienten der Polynomentwicklung der Freiformfläche in der Ordnung m bzgl. der x- Richtung und der Ordnung n bzgl. der y-Richtung darstellt. Hierbei bezeichnen x, y und z die drei kartesischen Koordinaten eines auf der Fläche liegenden Punktes im lokalen flächenbezogenen Koordinatensystem. Die Koordinaten x und y sind hierbei als dimensionslose Maßzahlen in sog. Lens Units in die Formel einzusetzen. Lens Units bedeutet hierbei, dass alle Längen zunächst als dimensionslose Zahlen angegeben und später so interpretiert werden, dass sie durchgehend mit derselben Maßeinheit (nm, pm, mm, m) multipliziert werden. Hintergrund ist, dass die Geometrische Optik skaleninvariant ist, und im Gegensatz zur Wellenoptik nicht über eine natürliche Längeneinheit verfügt. Eine reine Defokussierungswirkung lässt sich gemäß der Lehre von Alvarez bewirken, wenn die Freiformfläche der optischen Komponenten 1 , 3 durch folgendes Polynom 3. Ordnung beschrieben werden kann:
Figure imgf000022_0001
Hierbei ist angenommen, dass die laterale Verschiebung der optischen Komponenten 1 , 3 entlang der y-Achse erfolgt, die dadurch definiert wird. Falls die Verschiebung entlang der x-Achse erfolgen soll, ist in obiger Gleichung entsprechend die Rolle von x und y zu tauschen. Der Parameter K skaliert quasi die Profiltiefe und legt auf diese Weise die erzielbare Brechkraftänderung pro Einheit des lateralen Verschiebewegs s fest.
m, n = \, where C mn represents the development coefficient of the polynomial winding of the free-form surface in the order m with respect to the x-direction and the order n with respect to the y-direction. Here, x, y and z denote the three Cartesian coordinates of a point lying on the surface in the local area-related coordinate system. The coordinates x and y are to be used as dimensionless measures in so-called lens units in the formula. Lens units here means that all lengths are first given as dimensionless numbers and later interpreted to be consistently multiplied by the same unit of measure (nm, pm, mm, m). The background is that the geometric optics is scale-invariant, and in contrast to the wave optics does not have a natural length unit. A pure defocusing effect can be effected according to the teaching of Alvarez, if the free-form surface of the optical components 1, 3 can be described by the following polynomial of 3rd order:
Figure imgf000022_0001
Here, it is assumed that the lateral displacement of the optical components 1, 3 takes place along the y-axis, which is thereby defined. If the displacement is to take place along the x-axis, the role of x and y must be changed accordingly in the above equation. The parameter K virtually scales the profile depth and in this way determines the achievable refractive power change per unit of the lateral displacement path s.
Für parallel zur optischen Achse OA einfallende Strahlbündel und Luft (Brechzahl n = 1) zwischen den beiden optischen Komponenten 1 , 3 bewirkt die laterale Verschiebung der optischen Komponenten um eine Strecke s = |±y| damit eine Änderung der Wellenfront gemäß der Gleichung:
Figure imgf000022_0002
also eine Änderung der Fokuslage durch Änderung des parabolischen Wellenfrontanteils plus einen sog. Piston-Term (Zernike Polynom mit j=1 , n=0 und m=0), wobei letzterer einer konstanten Phase entspricht und sich genau dann nicht auf die Abbildungseigenschaften auswirkt, wenn sich das erfindungsgemäße optische Element im Unendlichstrahlengang befindet. Auch sonst kann der Piston-Term für die Abbildungseigenschaften meist vernachlässigt werden.
For parallel to the optical axis OA incident beam and air (refractive index n = 1) between the two optical components 1, 3 causes the lateral displacement of the optical components by a distance s = | ± y | thus changing the wavefront according to the equation:
Figure imgf000022_0002
ie a change in the focus position by changing the parabolic wavefront component plus a so-called Piston term (Zernike polynomial with j = 1, n = 0 and m = 0), the latter corresponding to a constant phase and then not affecting the imaging properties, when the optical element according to the invention is in the infinite beam path. Otherwise, the Piston term for the imaging properties can usually be neglected.
Die Flächenbrechkraft einer derartigen Variolinse ist durch folgende Formel gegeben: The surface power of such a zoom lens is given by the following formula:
Φ = 4 K - s (n - \) (4) Hierbei ist s der laterale Verschiebeweg eines Elementes entlang der y- Richtung, K der Skalierungsfaktor der Profiltiefe und n der Brechungsindex des Materials, aus dem die Linse gebildet ist, bei der jeweiligen Wellenlänge. Φ = 4 K - s (n - \) (4) Here s is the lateral displacement of an element along the y-direction, K is the scaling factor of the tread depth and n is the refractive index of the material from which the lens is formed at the respective wavelength.
Zur Minimierung der Mittendicke des Elementes kann ferner ein zu y proportionaler Term (Keil- oder Kippterm) addiert werden, dessen optische Wirkung auf den beiden Freiformflächen sich dann nahezu aufhebt, aber eine Minimierung der Mittendicke des Elementes ermöglicht. Ein reiner Kippungsterm auf den Freiformflächen ist in erster Näherung optisch wirkungslos und ruft daher insbesondere auch keine Farbfehler hervor. Es ist möglich, dass die beiden relativ zueinander bewegten optischen Komponenten 1 , 3 wie in Figur 1 gezeigt so orientiert sind, dass die beiden Freiformflächen 5, 7 einander zugewandt sind. In diesem Falle ist es besonders einfach, eine Justierung der Nulllage vorzunehmen, nämlich indem der Abstand zwischen den beiden optischen Komponenten 1 , 3 solange verringert wird, bis sich die beiden Komponenten berühren. In dieser Position findet automatisch eine Zentrierung der optischen Komponenten statt. Anschließend kann der Abstand in axialer Richtung gerade soweit wieder vergrößert werden, dass sich die beiden optischen Komponenten 1, 3 bei der lateralen Bewegung während des funktionsgemäßen Betriebs gerade nicht berühren. In order to minimize the center thickness of the element, a term proportional to y (wedge or tilt term) can also be added, the optical effect of which on the two free-form surfaces then almost canceling out, but minimizing the center thickness of the element. A pure tilting term on the free-form surfaces is optically ineffective in a first approximation and therefore does not cause any color aberrations in particular. It is possible that the two relative to each other moving optical components 1, 3 are oriented as shown in Figure 1 so that the two free-form surfaces 5, 7 facing each other. In this case, it is particularly easy to perform an adjustment of the zero position, namely by the distance between the two optical components 1, 3 is reduced until the two components touch. In this position, a centering of the optical components takes place automatically. Subsequently, the distance in the axial direction can be increased just as far again that the two optical components 1, 3 are not touching during the lateral movement during the functional operation.
Es ist aber auch möglich, die beiden optischen Komponenten 1 , 3 derart zu orientieren, dass die Freiformflächen 5, 7 voneinander abgewandt sind. Auf diese Weise kann der Abstand zwischen den optischen Komponenten, die sich dann an den mit den Planflächen 9, 11 gegenüberstehen, minimal gehalten werden, was sich, insbesondere bei größeren Feld- und Aperturwinkeln an der Übergangsfläche zwischen den beiden optischen Komponenten häufig als vorteilhaft für die Abbildungsgüte herausgestellt hat. But it is also possible to orient the two optical components 1, 3 such that the free-form surfaces 5, 7 are remote from each other. In this way, the distance between the optical components, which are then opposite to those with the flat surfaces 9, 11, minimized, which is often advantageous, especially at larger field and aperture angles at the interface between the two optical components has exposed the picture quality.
Es ist auch möglich, dass die Freiformflächen zusätzliche Terme höherer Ordnung zur Beeinflussung einzelner Bildfehler aufweisen können. Beispielsweise würde ein Term der Form z(x,y) = -(y- x4 + .(x2.y3)+ (5) vorwiegend die Sphärische Aberration beeinflussen und könnte somit etwa für Anwendungen im Bereich der Mikroskopie die bei Fokussierung in eine andere Probentiefe auftretende Sphärische Aberration korrigieren helfen. Auch eine teilweise oder vollständige Ausgleichung der durch die Dickenänderung des Elements (Piston-Term) im konvergenten Strahlengang hervorgerufenen Sphärischen Aberration kann auf diese Weise erfolgen. It is also possible that the free-form surfaces can have additional terms of higher order for influencing individual image defects. For example, a term would be the form z (x, y) = - (y- x 4 +. (x 2 .y 3 ) + (5) predominantly affects spherical aberration and could therefore be used for applications in the field of microscopy, focusing on another sample depth Correcting aberration can also help in this way to partially or completely compensate the spherical aberration caused by the change in thickness of the element (Piston term) in the convergent beam path.
Die Strukturprofile können frei überlagert sein, d.h. eine Struktur zur Änderung der Brechkraft und eine Struktur zur Änderung der Sphärischen Aberration können in einer Freiformfläche 5, 7 überlagert sein, so dass ein entsprechender Wellenlängenmanipulator bei Verschiebung der optischen Komponenten 1 , 3 gegeneinander eine Brechkraftwirkung variiert und gleichzeitig eine Sphärische Aberration ändert, wobei beide Änderungen mit einem beliebig aber fest vorzuwählenden Proportionalitätsfaktor proportional zueinander sind. The structure profiles may be freely superimposed, i. a structure for changing the refractive power and a structure for changing the spherical aberration may be superimposed in a free-form surface 5, 7, so that a corresponding wavelength manipulator upon displacement of the optical components 1, 3 against each other varies a refractive power and simultaneously changes a spherical aberration, both Changes are proportional to each other with an arbitrarily but firmly preselected proportionality factor.
Weiterhin ist es auch möglich, dass beide Seiten der bewegten optischen Komponenten 1 , 3 eine Wirkform gemäß der oben beschriebenen Formen aufweisen. Beispielsweise könnte eine symmetrische Aufteilung des Flächenprofils gemäß der obigen Formel auf Vorder- und Rückfläche einer Komponente bewirken, dass die Profiltiefen auf jeder Fläche ausreichend gering bleiben, so dass beispielsweise eine photolithographische Herstellung der Elemente, die typischerweise nur maximale Profiltiefen im Bereich < 10- 30 μητι ermöglicht, erleichtert ist. Furthermore, it is also possible for both sides of the moving optical components 1, 3 to have an active mold according to the forms described above. For example, a symmetrical division of the surface profile according to the above formula on the front and rear surface of a component could cause the tread depths on each surface to remain sufficiently low, such that, for example, a photolithographic fabrication of the elements, typically only maximum tread depths in the range <10-30 allows μ η τι, is facilitated.
Nach Lohmann (vgl. Appl. Opt. Vol. 9, No 7, (1970), p. 1669-1671) ist es möglich, eine zur Lehre von Alvarez weitgehend äquivalente Variolinse darzustellen, bei der zwei Freiformflächen beispielsweise in niedrigster Ordnung durch eine Gleichung der Form z(x,y) = A - (x3 + y3 ) (6) beschrieben werden und die Relativbewegung der optischen Komponenten 1 , 3 zueinander entlang einer unter 45° gegenüber der x- und y-Achse verlaufenden Geraden senkrecht zur optischen Systemachse erfolgt. Die Konstante A ist dabei wiederum eine freie Skalierungskonstante, die die maximale Profiltiefe der Freiformfläche und dadurch die Brechkraftänderung pro Weglänge beschreibt. Es handelt sich bei der Beschreibung nach Lohmann nicht um eine unabhängige Lösung, sondern im Wesentlichen nur um eine alternative Darstellung. According to Lohmann (see Appl. Opt., Vol. 9, No. 7, (1970), pp. 1669-1671), it is possible to represent a variolae which is largely equivalent to the teachings of Alvarez, in which two free-form surfaces, for example, in the lowest order by a Equation of the form z (x, y) = A - (x 3 + y 3 ) (6) are described and the relative movement of the optical components 1, 3 to each other along a 45 ° with respect to the x and y axis extending straight line perpendicular to the optical system axis. The constant A is again a free scaling constant, which describes the maximum profile depth of the free-form surface and thereby the refractive power change per path length. The description according to Lohmann is not an independent solution, but essentially only an alternative representation.
Weitere Details zur Konstruktion der Freiformflächen 5, 7, mit der sich die variable Brechkraftwirkung erzielen lässt, ist in US 3,305,294 beschrieben. Auf dieses Dokument wird hinsichtlich der Konstruktion der Freiformflächen verwiesen. Further details on the construction of the free-form surfaces 5, 7, with which the variable refractive power effect can be achieved, is described in US Pat. No. 3,305,294. Reference is made to this document for the construction of freeform surfaces.
Nachfolgend wird das Anpassen des Immersionsmediums 13, 17 an das Material der optischen Komponenten 1 , 3 anhand zweier konkreter Beispiele beschrieben. Zuerst erfolgt als erstes Beispiel eine Beschreibung einer Anpassung zum Bereitstellen einer achromatischen Variolinse, bevor als zweites Beispiel eine Beschreibung einer Anpassung zum Bereitstellen einer definierten Einstellung des Farblängsfehlers ohne Änderung der Fokuslage erfolgt. Für das Bereitstellen einer achromatischen Variolinse lässt sich die Bedingung für die Anpassung des Immersionsmediums 13, 17 an das Material der optischen Komponenten 1 , 3 im Wellenfrontmanipulator folgendermaßen ableiten: The adaptation of the immersion medium 13, 17 to the material of the optical components 1, 3 will be described below with reference to two concrete examples. First, as a first example, a description will be given of an adaptation for providing an achromatic zoom lens, before, as a second example, a description of an adaptation for providing a defined adjustment of the longitudinal chromatic aberration without changing the focal position. For the provision of an achromatic vario lens, the condition for the adaptation of the immersion medium 13, 17 to the material of the optical components 1, 3 in the wavefront manipulator can be derived as follows:
Die beiden zueienander bewegten Freiformelemente 1 , 3 bilden eine Brechkraft Φ = 4- /c- s-(n1 -l) und die variable „Immersionsmediumlinse" zwischen den Platten eine Brechkraft -<b2 = 4- k- s-(n2 -Y), wobei k den Skalierungsfaktor der Freiformprofilfunktion, s den Verschiebeweg der Elemente und ni und n2 die Brechungsindizes des Materials der Freiformelemente 1 , 3 bzw. des Immersionsmediums bei einer mittleren Wellenlänge des betrachteten Spektralbereiches bezeichnen. Die Bedingung für Achromasie für zwei eng zusammenstehende Linsen lautet generell:
Figure imgf000026_0001
The two freely moving free-form elements 1, 3 form a refractive power Φ = 4- / c- s- (n 1 -l) and the variable "immersion medium lens" between the plates has a refractive power <b 2 = 4 ks (n 2 -Y), where k denotes the scaling factor of the free-form profile function, s the displacement path of the elements and ni and n 2 the refractive indices of the material of the free-form elements 1, 3 or of the immersion medium at an average wavelength of the considered spectral range. The condition for achromaticity for two closely spaced lenses is generally:
Figure imgf000026_0001
Dabei bezeichnen vi und V2 die Abbesche Zahl des Materials der Freiformelemente 1 , 3 bzw. die Abbesche Zahl des Immersionsmediums. Durch Einsetzen der Gleichungen für die Brechkräfte Φι und Φ2 in Gleichung (7) lässt sich für die erfindungsgemäße achromatische Variolinse folgende Bedingung aufstellen n2 -1 In this case, vi and V2 denote the Abbe number of the material of the free-form elements 1, 3 or the Abbe number of the immersion medium. By inserting the equations for the refractive powers Φι and Φ 2 in equation (7), the following condition can be established for the achromatic vario lens according to the invention n 2 -1
(8) Natürlich kann aufgrund der nur beschränkten Auswahl an zur Verfügung stehenden optischen Materialien, insbesondere bei Berücksichtigung spezieller Anforderungen wie Alterungsbeständigkeit, thermische Ausdehnung etc., in der Praxis auch geringfügig von der obigen Bedingung abgewichen werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Ein Parameterbereich für eine erfindungsgemäße Variolinse läßt sich in etwa durch folgende Bedingungen charakterisieren:
Figure imgf000026_0002
(8) Of course, due to the limited choice of available optical materials, especially considering special requirements such as aging resistance, thermal expansion, etc., in practice, it may be slightly deviated from the above condition without departing from the scope of the invention. A parameter range for a variolysis according to the invention can be characterized approximately by the following conditions:
Figure imgf000026_0002
Bevorzugt sollte sogar gelten:
Figure imgf000026_0003
Und noch bevorzugter kann gelten:
Preferred should even apply:
Figure imgf000026_0003
And more preferably, may apply:
(8c)
Figure imgf000026_0004
Ein achromatischer Wellenfrontmanipulator, der an Stelle einer Defokussierung einen bestimmten Zernike-Term beeinflussen soll, hat ebenfalls dieselbe Achromatisierungsbedingung (7) bzw. (8a) bis (8c) zu erfüllen.
(8c)
Figure imgf000026_0004
An achromatic wavefront manipulator, which is intended to influence a specific Zernike term instead of defocusing, also has to fulfill the same achromatization condition (7) or (8a) to (8c).
Ein Element, das beispielsweise wellenlängenunabhängig einen bestimmten Betrag an Sphärischer Aberration bereitstellt, wäre durch zwei Freiformelemente bereitzustellen, deren Fläche die folgende Form aufweist z(x,y) = / -(y- x4 +^ (x2 . y3)+^) (9) und die aus einem Glas gebildet sind, das zusammen mit dem Immersionsmedium Bedingung (7) bzw. (8a) bis (8c) erfüllt. For example, an element providing a certain amount of spherical aberration independent of wavelength would be provided by two free-form elements whose area has the form z (x, y) = / - (y- x 4 + ^ (x 2 .y 3 ) + ^) (9) and which are formed of a glass which, together with the immersion medium, satisfies conditions (7) and (8a) to (8c), respectively.
Analog gilt die Achromatisierungsbedingung auch in allen anderen Fällen, in denen eine „beliebige" Wellenfrontänderung AW(x,y) bei einerAnalogously, the achromatization condition also applies in all other cases in which an "arbitrary" wavefront change AW (x, y) at a
Grundwellenlänge erzeugt wird, indem die Freiform-Profilfunktion z(x,y) in Richtung der Bewegung der Elemente zueinander proportional zur Stammfunktion von AW(x,y) und senkrecht zur Bewegungsrichtung proportional zur Funktion AW(x,y) selbst ausgelegt ist. Fundamental wavelength is generated by the free-form profile function z (x, y) is designed in the direction of movement of the elements to each other proportional to the parent function of AW (x, y) and perpendicular to the direction of movement proportional to the function AW (x, y) itself.
Mit einem erfindungsgemäßen Element lässt sich bei anderer Wahl der optischen Medien ein Farblängsfehler nicht nur gezielt auf Null setzen, sondern das Element kann auch so ausgebildet werden, dass definierte Beträge an Farblängsfehler erzeugt werden. Bei einer Abweichung von der Bedingung nach Gleichung (8a), Gleichung (8b) oder Gleichung (8c) erzeugt eine seitliche Verschiebung der Freiformelemente nach Gleichung (2) gleichzeitig eine Brechkraftänderung bei der mittleren Wellenlänge (also einen Defokus) und relativ dazu einen Farblängsfehler für die Rand- oder Nebenwellenlängen. Je größer die Abweichung von der Bedingung nach Gleichung (8a), Gleichung (8b) oder Gleichung (8c) ist, desto bemerkbarer macht sich dieser Effekt. Er ist insbesondere bemerkbar wenn Gleichung (8a) nicht erfüllt ist. In Einzelfällen könnte eine solche Überlagerung sinnvoll sein, etwa wenn der Defokus bei der mittleren Wellenlänge durch andere optische Mittel kompensiert werden kann. Im allgemeinen wünscht man jedoch eine klare Trennung zwischen einer Änderung einer mittleren Fokuslage und einer Änderung des Farblängsfehlers. Für diesen Fall besteht die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung darin, für die Freiformelemente 1 , 3 und das zwischen diesen angeordnete Immersionsmedium 13, 17 Materialien und Medien zu verwenden, die sich nahezu nicht im Brechungsindex n bei der mittleren Wellenlänge, aber deutlich in der Abbeschen Zahl v voneinander unterscheiden, insbesondere solche Materialien und Medien, bei denen gleichzeitig die Bedingungen
Figure imgf000028_0001
-n2 \ < 0.05 und | v, - v2 | > 5 (9a) erfüllt sind. Wenn eine größere Änderung des Farblängsfehlers ohne Änderung der Fokuslage gewünscht ist, sollte diese Bedingungen schärfer gefasst sein, nämlich
With an element according to the invention, a color longitudinal error can not only be deliberately set to zero with a different choice of optical media, but the element can also be designed so that defined amounts of longitudinal chromatic aberration are generated. In the case of a deviation from the condition according to equation (8a), equation (8b) or equation (8c), a lateral displacement of the free-form elements according to equation (2) simultaneously produces a refractive power change at the central wavelength (ie a defocus) and relative thereto a longitudinal chromatic aberration the marginal or minor wavelengths. The greater the deviation from the condition according to equation (8a), equation (8b) or equation (8c), the more noticeable is this effect. It is particularly noticeable when equation (8a) is not satisfied. In individual cases such superimposition could be useful, for example if the defocus at the middle wavelength can be compensated by other optical means. In general, however, one desires a clear separation between a change in a central focus position and a change in the longitudinal chromatic aberration. In this case, the solution proposed according to the invention consists in using for the free-form elements 1, 3 and the immersion medium 13, 17 arranged therebetween materials and media which are almost not in the refractive index n at the central wavelength but clearly in the Abbe number v differ from each other, especially those materials and media in which at the same time the conditions
Figure imgf000028_0001
-n 2 \ <0.05 and | v, - v 2 | > 5 (9a) are fulfilled. If a greater change in the longitudinal chromatic aberration is desired without changing the focal position, these conditions should be tightened, namely
(9b) oder sogar (9b) or even
< 0.002 und k - v, > 15 (9c) <0.002 and k - v,> 15 (9c)
Geeignete Materialkombinationen sind zu finden und sogar weit verbreitet, da die Dispersion organischer Kohlenwasserstoffe bei typischen Brechzahlen von Glas durchweg deutlich höher liegt als die von Glas. Für den Fall, dass die Freiformelemente 1 , 3 aus Kunststoff gebildet sind, kommt als Immersionsmedium 13, 17 bspw. eine mit geeigneten Alkali-Ionen dotierte wässrige (Salz-)lösung in Betracht. Die Bedingungen (9a) bis (9c) lassen sich aus folgender Überlegung verstehen : Je mehr sich die Abbesche Zahl der Freiformelemente von der Abbeschen Zahl des Immersionsmediums unterscheidet, desto kleiner können die lateralen Verschiebewege sein - und desto flacher können die Freiformprofile 1 , 3 zur Erzielung eines vorgegebenen Farblängsfehlers durch den Wellenfrontmanipulator ausfallen. Andererseits gilt: je weniger sich der Brechungsindex der Freiformelemente vom Brechungsindex des Immersionsmediums unterscheidet, desto geringer ist die Änderung der Fokuslage bei der mittleren Wellenlänge bei Einstellung eines vorgegebenen Farblängsfehlers. Suitable combinations of materials are to be found and even widely used, since the dispersion of organic hydrocarbons is consistently significantly higher than glass at typical refractive indices of glass. In the event that the free-form elements 1, 3 are formed from plastic, as an immersion medium 13, 17, for example, with an appropriate alkali-doped aqueous (salt) solution into consideration. The conditions (9a) to (9c) can be understood from the following consideration: The more the Abbe number of free-form elements differs from the Abbe number of the immersion medium, the smaller the lateral displacement paths can be - and the flatter the freeform profiles 1, 3 can be Achieving a given color longitudinal error fail through the wavefront manipulator. On the other hand, the less the refractive index of the free-form elements differs from the refractive index of the immersion medium, the lower the change in the focal position at the central wavelength when setting a predetermined chromatic aberration.
Gemäß dem in den Gleichungen (8a) bis (8c) zum Ausdruck kommenden Konstruktionsprinzip kann bspw. mit zwei optischen Elementen 1 , 3, deren Freiformflächen 5, 7 durch die Gleichung (5) gegeben sind, ein Wellenfrontmanipulator zur Beeinflussung des sog. Gaußfehlers, also desjenigen Bildfehlers, der die chromatische Variation der Sphärischen Aberration beschreibt, bereit gestellt werden. According to the construction principle expressed in equations (8a) to (8c), for example, with two optical elements 1, 3 whose free-form surfaces 5, 7 are given by the equation (5), a wavefront manipulator for influencing the so-called Gaussian error, that is, the image defect that describes the chromatic variation of the spherical aberration.
Wie bereits erwähnt, können in den Freiformflächen 5, 7 der optischen Komponenten 1 , 3 mehrere Strukturprofile frei überlagert sein. Bspw. können eine Struktur zur Änderung der Brechkraft und eine Struktur zur Änderung der Sphärischen Aberration in den Freiformflächen 5, 7 überlagert sein, so dass eine entsprechende Variolinse bei Verschiebung der optischen Komponenten 1 , 3 gegeneinander eine Brechkraftwirkung variiert und gleichzeitig eine Sphärische Aberration ändert, wobei beide Änderungen mit einem beliebig aber fest vorzuwählenden Proportionalitätsfaktor proportional zueinander sind. Auch in derartigen allgemeineren Anwendungsfällen lassen sich die oben dargelegten Regeln zur Wirkung einer entsprechenden Materialauswahl gemäß Bedingung (8a), (8b) oder (8c) bzw. gemäß den Bedingungen (9a), (9b) oder (9c) sinngemäß anwenden. As already mentioned, a plurality of structural profiles can be freely superposed in the free-form surfaces 5, 7 of the optical components 1, 3. For example. For example, a structure for changing the refractive power and a structure for changing the spherical aberration in the free-form surfaces 5, 7 may be superimposed so that a corresponding zoom lens will vary a refractive power when the optical components 1, 3 are displaced while changing a spherical aberration, both Changes are proportional to each other with an arbitrarily but firmly preselected proportionality factor. Even in such more general applications, the rules set out above for the effect of a corresponding choice of material according to condition (8a), (8b) or (8c) or according to the conditions (9a), (9b) or (9c) can be applied mutatis mutandis.
Nachfolgend wird ein konkretes Ausführungsbeispiel für das Konstruieren eines erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulators unter Bezugnahme auf Konstruktionsdaten beschrieben. Hereinafter, a concrete embodiment for constructing a wavefront manipulator according to the present invention will be described with reference to design data.
Das konkrete Beispiel geht von einer Variolinse mit zwei optischen Komponenten 1 , 3 aus, die jeweils eine Freiformfläche 5, 7 aufweisen, deren Form durch die Polynomentwicklung gemäß Gleichung (1) beschrieben wird. Die Entwicklungskoeffizienten Cm,n der Polynomentwicklung sind in den in nachfolgenden Tabellen aufgeführten Konstruktionsdaten jeweils an den entsprechenden Flächen angegeben, wobei die Entwicklungskoeffizienten mit den Potenzen der zugehörigen Polynomterme gekennzeichnet sind. The concrete example is based on a vario lens with two optical components 1, 3, each having a free-form surface 5, 7, whose shape is described by the polynomial winding according to equation (1). The development coefficients C m , n of the polynomial winding are in the design data listed in the following tables, respectively corresponding areas are indicated, wherein the development coefficients are marked with the powers of the associated polynomial terms.
Außerdem kommen ferner rotationssymmetrische asphärische Flächen vor, die durch folgende Gleichung definiert sind: z = + A - (x2 + y2 )2 + B - (x2 + y2 f + C - (x2 + y2 )4 + D - (x2 + y2 )
Figure imgf000030_0001
Furthermore, there are rotationally symmetric aspheric surfaces defined by the equation: z = + A - (x 2 + y 2 ) 2 + B - (x 2 + y 2 f + C - (x 2 + y 2 ) 4 + D - (x 2 + y 2 )
Figure imgf000030_0001
Die zugehörigen Koeffizienten k, A, B, C und D sind an den entsprechenden Flächen jeweils im Anschluss an den Scheitelradius angegeben. The associated coefficients k, A, B, C and D are indicated on the corresponding surfaces, respectively, following the vertex radius.
Es sei darauf hingewiesen, dass es mathematisch unendlich viele äquivalente Darstellungen derselben Freiformflächen gibt. Wie weiter vorne ausgeführt wurde, führt eine andere Definition der Verschiebeachsen zu einer anders aussehenden Darstellung, die sich aber als weitgehend äquivalent erweist. Die Erfindung ist daher nicht auf die explizite Form der im konkreten Ausführungsbeispiel gewählten Darstellung beschränkt. It should be noted that there are mathematically infinitely many equivalent representations of the same free-form surfaces. As stated earlier, a different definition of the displacement axes leads to a different-looking representation, but proves to be largely equivalent. The invention is therefore not limited to the explicit form of the representation selected in the specific embodiment.
Der Wellenfrontmanipulator des konkreten Ausführungsbeispiels betrifft eine erfindungsgemäß ausgelegte Lösung für eine achromatische Fokussieroptik, die einer festbrennweitigen Gruppe vorgeschaltet ist, und die eine stufenlose Anpassung einer Fokussierung auf unterschiedliche Objektentfernungen zwischen So = -500 mm und So = -167 mm ermöglicht. Der Durchmesser der Aperturblende beträgt in dem konkreten Ausführungsbeispiel konstant 20 mm. The wavefront manipulator of the specific embodiment relates to an inventively designed solution for an achromatic focusing optics, which is connected upstream of a fixed firing group, and which allows a continuous adjustment of focusing on different object distances between So = -500 mm and So = -167 mm. The diameter of the aperture diaphragm is constant in the concrete embodiment, 20 mm.
Um die Konstruktion des erfindungsgemäßen optischen Elements anhand des konkreten Ausführungsbeispiels aufzeigen zu können, wird in drei Schritten vorgegangen. Zunächst wird in einem ersten Schritt eine für eine feste mittlere Objektentfernung von So = -250 mm ausgelegte und für diese feste Objektentfernung quasi fehlerfreie Optikgruppe angegeben. Im zweiten Schritt wird eine Variolinse zur Variation der Systembrechkraft und damit zur Anpassung auf die geänderte Objektschnittweite ergänzt. Die Variolinse weist noch kein Immersionsmedium auf. Schließlich wird im dritten Schritt eine erfindungsgemäße Variolinse mit Immersionsmedium angegeben, mit der es gelingt, die chromatischen Bildfehler nahezu vollständig und über den gesamten mit der Variolinse einstellbaren Entfernungsbereich hinweg zu kompensieren. In order to be able to show the construction of the optical element according to the invention with reference to the specific embodiment, the procedure is three-step. First, in a first step, an optically group designed for a fixed average object distance of So = -250 mm and quasi-defect-free for this fixed object distance is specified. In the second step, a Vario-lens is added to vary the system's refractive power and thus adapt it to the changed object intercept. The Variolinse still has no immersion medium. Finally, in the third step, a Variolinse invention with immersion medium is given, with It is possible to compensate the chromatic aberrations almost completely and over the entire distance range which can be set with the variolo- gy.
Die für eine feste mittlere Objektentfernung von So = -250 mm nahezu fehlerfrei abbildende Optik 20 wird in dem konkreten Ausführungsbeispiel durch eine rotationssymmetrische Hybridoptik repräsentiert, wie sie schematisch in Figur 3 dargestellt ist. Aus Gründen der klareren Darstellung des wesentlichen Kerns der Erfindung ist die Darstellung in der Figur auf idealisierte Randbedingungen (nur ein Feldpunkt) beschränkt. Die in Figur 3 dargestellte Optik 20 besteht aus einer auf der Vorderseite asphärisch ausgebildeten Sammellinse aus dem Glas FK5 und einer damit verkitteten sphärischen Zerstreuungslinse aus dem Glas SF1. Die Zerstreuungslinse ist auf der Rückseite (F7) mit einer angepassten DOE- Struktur versehen. Um die Glaswege der später benötigen Elemente der Variolinse zu berücksichtigen, sind der Optik 20 zwei planparallele Glasplatten 21 , 23 vorgeschaltet. Dieser Teil des Systems dient hier dazu, eine quasi ideal korrigierte festbrennweitige Optik zu simulieren, die natürlich in praktischen Anwendungen auch durch ganz anders aufgebaute mehrlinsige Objektive gebildet sein kann. Die festbrennweitige Gruppe ist im konkreten Ausführungsbeispiel so ausgelegt, dass sie ein Objekt, das sich 250 mm vor dem Scheitel der am weitesten links liegenden Glasfläche F1 befindet, auf eine Bildebene in 50 mm Entfernung vom Scheitel der letzten, am weitesten rechts liegenden Linsefläche F7 abbildet. Als Anwendung für das hier beschriebene Beispiel kann bspw. ein Objektiv für ein digitales Operationsmikroskop angesehen werden, also ein Operationsmikroskop mit digitalen Okularen und/oder einem sonstigen Display. The optics 20, which images almost faultlessly for a fixed mean object distance of So = -250 mm, is represented in the concrete exemplary embodiment by a rotationally symmetrical hybrid optics, as shown schematically in FIG. For reasons of clearer presentation of the essential core of the invention, the representation in the figure is limited to idealized boundary conditions (only one field point). The optical system 20 shown in FIG. 3 consists of a collecting lens made of the glass FK5, which is aspherical on the front side, and a spherical diverging lens made of the glass SF1 cemented thereto. The diverging lens is provided on the back (F7) with an adapted DOE structure. In order to take into account the glass paths of the later required elements of the Variolinse, the optics 20 two plane-parallel glass plates 21, 23 are connected upstream. This part of the system is used here to simulate a virtually perfectly corrected fixed-focal-length optics, which, of course, can also be formed in practical applications by very differently constructed multi-lens objectives. In the concrete embodiment, the fixed focal length group is designed to image an object located 250 mm in front of the vertex of the leftmost glass surface F1 on an image plane 50 mm away from the vertex of the last, rightmost lens surface F7 , As an application for the example described here, for example, an objective for a digital surgical microscope can be considered, ie a surgical microscope with digital eyepieces and / or another display.
Die Konstruktionsparameter der in Figur 3 dargestellten Optik 20 und der vorgeschalteten Glasplatten 21 , 23 sind in der nachfolgenden Tabelle 1 zusammengefasst. Tabelle 1 Fläche Scheitelradius Dicke Material The design parameters of the optics 20 shown in FIG. 3 and the upstream glass plates 21, 23 are summarized in Table 1 below. Table 1 Area Vertex radius Thickness Material
in mm in mm  in mm in mm
Objektebene 00 250,000 F1 00 1 ,000 NLASF44 F2 00 0,400 F3 00 1 ,000 NLASF44 F4 00 0,500 Blende oo 0,000  Object level 00 250,000 F1 00 1, 000 NLASF44 F2 00 0,400 F3 00 1, 000 NLASF44 F4 00 0,500 Aperture oo 0,000
F5 18,51472 6,000 FK5 F5 18,51472 6,000 FK5
Asphärenkoeffizienten:  aspheric coefficients:
k: 0,0000 k: 0.0000
A: -0,106452E-04 B: -0,216063E-07 C: -0.285433E-10 D: -0.207670E-12 F6 -76,75116 1 ,000 SF1  A: -0.106452E-04 B: -0.216063E-07 C: -0.285433E-10 D: -0.207670E-12 F6 -76.75116 1.000 SF1
306,32659 50,000 306,32,659 50,000
DOE-Parameter  DOE parameters
λ0: 546,00 d: -2,2271 E-04 C2: 5,3348E-07 λ 0 : 546.00 d: -2.2271 E-04 C 2 : 5.3348E-07
Bildebene 00 0,000 Image level 00 0.000
Figur 4 zeigt die zur Optik aus Figur 3 gehörenden Bildfehlerkurven. Die vertikale Achse bezeichnet die geometrisch-optischen Queraberrationen in Millimetern und reicht von -0,05 mm bis 0,05 mm. Dabei zeigt die linke Seite, die in der Figur als Y-Fan (dt. Y-Fächer) bezeichnet ist, die Queraberration für ein Strahlenbündel in Abhängigkeit von der Y-Koordinate des Öffnungsstrahls in der Austrittspupille. Die rechte Seite, die in der Figur als X-Fan (dt. X-Fächer) bezeichnet ist, zeigt eine entsprechende Darstellung der Queraberration für das Strahlenbündel in Abhängigkeit von der X- Koordinate des Öffnungsstrahls in der Austrittspupille. Das Strahlenbündel weist dabei einen Achsstrahl als Hauptstrahl auf, d.h. der Hauptstrahl ist ein Strahl, der auf der optischen Achse der festbrennweitigen Gruppe 20 verläuft, also die X- und Y-Koordinaten 0,0 aufweist und in der Y-Z-Ebene sowie in der X-Z-Ebene jeweils den Einfallswinkel Null Grad bezogen auf die optische Achse besitzt. Der von der Optik erzeugte Bildpunkt eines durch einen Achsstrahl als Hauptstrahl gekennzeichneten Strahlenbündels liegt dabei auf der optischen Achse. In der Figur ist der Hauptstrahl des Strahlenbündels im relativen Feld (Relative Field) entsprechend mit der Y- Koordinate 0,00 und dem Winkel 0° für den Y-Fan bzw. der X-Koordinate 0,00 und dem Winkel 0° für den X-Fan gekennzeichnet. FIG. 4 shows the image error curves belonging to the optics from FIG. The vertical axis denotes the geometrical-optical transverse aberrations in millimeters and ranges from -0.05 mm to 0.05 mm. In this case, the left side, which is referred to in the figure as Y-fan (German Y-fan), the transverse aberration for a beam in dependence on the Y-coordinate of the opening beam in the exit pupil. The right-hand side, which in the figure is designated as an X-fan, shows a corresponding representation of the transverse aberration for the beam as a function of the X-fan. Coordinate of the opening beam in the exit pupil. The beam has an axis beam as the main beam, ie, the main beam is a beam that runs on the optical axis of the fixed focal length group 20, ie the X and Y coordinates has 0.0 and in the YZ plane and in the XZ Plane has the angle of incidence zero degrees with respect to the optical axis. The image point generated by the optics of a beam characterized by an axis beam as the main beam lies on the optical axis. In the figure, the main ray of the beam in the Relative Field is corresponding to the Y coordinate 0.00 and the angle 0 ° for the Y fan and the X coordinate 0.00 and the angle 0 ° for the X-Fan marked.
Aus der Figur 4 erkennt man, dass die auftretenden Restfehler praktisch vollkommen vernachlässigbar sind; das Grundoptiksystem ist für die eine fest vorgegebene Objektschnittweite beugungsbegrenzt. Die Figur durch die beschriebene festbrennweitige Optik ist daher praktisch perfekt gegen Öffnungsfehler und gegen primäre und sekundäre chromatische Bildfehler korrigiert und stellt für die feste vorgegebene mittlere Objektdistanz von 250mm eine nahezu ideale Linse dar. It can be seen from FIG. 4 that the residual errors that occur are practically completely negligible; The basic optical system is diffraction-limited for the one fixedly specified object intersection. The figure by the fixed focal length optics described is therefore virtually perfect against aperture errors and corrected for primary and secondary chromatic aberrations and represents a nearly ideal lens for the fixed predetermined average object distance of 250mm.
Im nächsten Schritt zur Konstruktion des erfindungsgemäßen optischen Elements tritt an die Stelle der planparallelen Glasplatten 21 , 23 vor der Optik 20 eine Variolinse mit zwei optischen Komponenten 1 , 3, die Freiformflächen 5, 7 aufweisen. Ein Immersionsmedium ist noch nicht vorhanden. Die Variolinse dient zur Fokussierung auf unterschiedliche Objektentfernungen, die im Beispiel von -500 mm bis -166,67 mm reichen und in den Figuren 5 bis 9 anhand folgender fünf Zwischenstellungen gezeigt sind: So = -500 mm, S0 = -333,33 mm, S0 = -250 mm, S0 = -200 mm und S0 = -166,67 mm. Die beiden optischen Komponenten 1 , 3, die jeweils auf der Innenseite eine Freiformfläche 5, 7 tragen, werden zum Einstellen der Fokussierung auf die unterschiedlichen Objektentfernungen lateral gegenläufig zueinander bewegt, so dass sich im Innenbereich eine variable Luftlinse ergibt. Die Verschiebewege der ersten lateral bewegten optischen Komponente 1 betragen in den 5 Stellungen +1.50 mm, +0.75 mm, 0.00 mm; -0.75 mm; -1.50 mm in y-Richtung. Die zweite optische Komponente 3 verschiebt sich jeweils um gleiche Beträge in die entgegengesetzte Richtung, so dass die Verschiebewege der zweiten lateral bewegten optischen Komponente 3 in den 5 Stellungen -1.50 mm, -0.75 mm, 0.00 mm; +0.75 mm; +1.50 mm betragen. Die Lage der Bildebene relativ zur Optik 20 bleibt dabei konstant (50 mm freie Schnittweite). In the next step for the construction of the optical element according to the invention takes the place of the plane-parallel glass plates 21, 23 in front of the optics 20, a zoom lens with two optical components 1, 3, the free-form surfaces 5, 7 have. An immersion medium is not yet available. The zoom lens serves to focus on different object distances, which in the example range from -500 mm to -166.67 mm and are shown in FIGS. 5 to 9 on the basis of the following five intermediate positions: So = -500 mm, S 0 = -333.33 mm, S 0 = -250 mm, S 0 = -200 mm and S 0 = -166.67 mm. The two optical components 1, 3, each carrying a free-form surface 5, 7 on the inside, are laterally moved in opposite directions to each other to set the focus on the different object distances, so that a variable air lens results in the interior. The displacement paths of the first laterally moved optical component 1 in the 5 positions are +1.50 mm, +0.75 mm, 0.00 mm; -0.75 mm; -1.50 mm in the y direction. The second optical component 3 shifts in each case by equal amounts in the opposite direction, so that the displacement paths of the second laterally moving optical component 3 in the 5 positions -1.50 mm, -0.75 mm, 0.00 mm; +0.75 mm; +1.50 mm. The position of the image plane relative to the optics 20 remains constant (50 mm free cut width).
In der Variolinse des konkreten Ausführungsbeipiels werden höhere Ordnungen der Alvarez-Freiformfläche genutzt, um die Sphärische Aberration bei geänderter Objektschnittweite entsprechend mit anpassen zu können. Die Konstruktionsdaten des Systems gemäß Schritt 2 sind in der nachfolgenden Tabelle 2 angegeben: In the Variolinse the concrete Ausführungsbeipiels higher orders of the Alvarez freeform surface are used to adjust the spherical aberration with changed object intersection accordingly. The design data of the system according to step 2 are given in Table 2 below:
Tabelle 2 Table 2
Fläche Scheitelradius Dicke Material Area Crest radius Thick material
in mm in mm  in mm in mm
Objektebene 00 Variabel F1 00 1 ,000 NLASF44  Object level 00 Variable F1 00 1, 000 NLASF44
F2 00 0,120 F2 00 0.120
Freiformflächenparameter: Free-form surface parameters:
Y: 3,2947E-02 X2Y: -4,0866E-04 Y3: -1.3622E-04  Y: 3,2947E-02 X2Y: -4,0866E-04 Y3: -1.3622E-04
X4Y: 5,1255E-09 X2Y3: 3,8124E-09 Y5: 1 Ό076Ε-09  X4Y: 5,1255E-09 X2Y3: 3,8124E-09 Y5: 1 Ό076Ε-09
F3 00 1 ,000 NLASF44 F3 00 1, 000 NLASF44
Freiformflächenparameter: Free-form surface parameters:
Y: 3.2947E-02 X2Y: -4,0866E-04 Y3: -1.3622E-04  Y: 3.2947E-02 X2Y: -4.0886E-04 Y3: -1.3622E-04
X4Y: 5.1255E-09 X2Y3: 3.8124E-09 Y5: 1.0076E-09  X4Y: 5.1255E-09 X2Y3: 3.8124E-09 Y5: 1.0076E-09
F4 00 0,500 F4 00 0.500
Blende oo 0,000 F5 18,51472 6,000 FK5 Asphärenparameter: Aperture oo 0.000 F5 18.51472 6.000 FK5 Asphärenparameter:
k: 0,0000 k: 0.0000
A: -0.106452E-04 B: -0,216063 E-07 C: -0,285433E-10 D: -0.207670E-12 F6 -76,75116 1 ,000 SF1  A: -0.106452E-04 B: -0.216063 E-07 C: -0.285433E-10 D: -0.207670E-12 F6 -76.75116 1.000 SF1
F7 306,32659 50,000 F7 306,32,659 50,000
DOE-Parameter DOE parameters
λ0: 546,00 d: -2,2271 E-04 C2: 5.3348E-07 Bildebene oo 0,000 λ 0 : 546.00 d: -2.2271 E-04 C 2 : 5.3348E-07 Image plane oo 0.000
Das mit der Variolinse ohne Immersionsmedium zusammen mit der festbrennweitigen Optik 20 erzielbare Resultat ist in den Figuren 10 bis 14 wiedergegeben, welche die zu den in den Figuren 5 bis 9 dargestellten Positionen der optischen Komponenten gehörenden Bildfehler zeigen. Die vertikalen Achsen bezeichnen wie in Figur 4 jeweils die geometrischoptischen Queraberrationen in Millimetern und reichen von -0,05 mm bis 0,05 mm. Dabei zeigt die linke Seite der Figuren jeweils wieder die Queraberration für ein Strahlenbündel mit Achsstrahl als Hauptstrahl in Abhängigkeit von der Y-Koordinate des Öffnungsstrahls in der Austrittspupille, die rechte Seite eine entsprechende Darstellung der Queraberration für das Strahlenbündel in Abhängigkeit von der X-Koordinate des Öffnungsstrahls in der Austrittspupille. Aus den Figuren 10 bis 14 ist zu erkennen, dass mit zunehmender lateraler Verschiebung der optischen Komponenten 1 , 3 der Variolinse starke chromatische Fehler auftreten, die sich mit dem aus dem Stand der Technik bekannten Ansatz auch nicht beheben lassen. Man erkennt deutlich, das sich nur in der zur ursprünglichen Objektentfernung von -250 mm gehörenden Position 3 eine auch chromatisch korrigierte Abbildung ergibt, während in allen anderen Stellungen eine sehr erhebliche chromatische Längsaberration als begrenzender Bildfehler auftritt. Dies erkennt der Fachmann daran, dass die zu verschiedenen Wellenlängen gehörenden Queraberrationen jeweils näherungsweise durch eine um die Horizontale gekippte Gerade repräsentiert sind. Im dritten Schritt wird schließlich die bisherige Variolinse durch eine erfindungsgemäß konstruierte Variolinse mit Immersionsmedium zwischen den beiden optischen Komponenten 1 , 3 ersetzt. Die die Freiformflächen 5, 7 tragenden optischen Komponenten 1 , 3 sind in dem konkreten Beispiel aus dem Glas NLAK8 hergestellt. Bei einer Wellenlängen von 546 nm beträgt sein Brechungsindex ?I = 1 ,713003 und seine Abbesche Zahl vi = 53,8316. Als Immersionsmedium 13 findet ein Immersionsöl Verwendung, das bei einer Wellenlängen von 546 nm einen Brechungsindex n2 = 1 ,518 und eine Abbesche Zahl v2 = 41 ,1 besitzt. Ein derartiges Immersionsöl ist bspw. unter der Bezeichnung „Immersionsöl 518" von Zeiss erhältlich. Werden diese Zahlen in die Ungleichung 8a eingesetzt so erhält man einen Wert von 0,00062, was den Grenzwert aus Ungleichung (8a) deutlich unterschreitet und sogar noch unter dem in Gleichung (8c) enthaltenen Grenzwert von 0,001 liegt und damit zu einer sehr guten Korrektur der in den Figuren 10 bis 14 gezeigten chromatischen Fehler führt. Mit dieser erfindungsgemäßen Variolinse gelingt es daher, die chromatischen Bildfehler nahezu vollständig und über den gesamten einstellbaren Entfernungsbereich hinweg zu vermeiden. The result achievable with the variometer without immersion medium together with the fixed focal length optics 20 is reproduced in FIGS. 10 to 14, which show the aberrations associated with the positions of the optical components shown in FIGS. 5 to 9. As in FIG. 4, the vertical axes in each case denote the geometric-optical transverse aberrations in millimeters and extend from -0.05 mm to 0.05 mm. The left side of the figures again shows the transverse aberration for a beam with axis beam as the main beam as a function of the Y-coordinate of the opening beam in the exit pupil, the right side a corresponding representation of the transverse aberration for the beam in dependence on the X-coordinate of Opening beam in the exit pupil. It can be seen from FIGS. 10 to 14 that with increasing lateral displacement of the optical components 1, 3 of the variolore, severe chromatic errors occur that can not be eliminated with the approach known from the prior art. It can be clearly seen that only in the position 3 belonging to the original object distance of -250 mm does a chromatically corrected image result, while in all other positions a very considerable longitudinal chromatic aberration occurs as a limiting aberration. The person skilled in the art recognizes that the transverse aberrations belonging to different wavelengths are each approximately represented by a straight line tilted about the horizontal. Finally, in the third step, the previous variolysis is replaced by an inventively constructed zoom lens with immersion medium between the two optical components 1, 3. The free-form surfaces 5, 7 bearing optical components 1, 3 are made in the specific example of the glass NLAK8. At a wavelength of 546 nm, its refractive index is? I = 1.713003 and its Abbe number vi = 53.8316. The immersion medium 13 used is an immersion oil which has a refractive index n 2 = 1.518 and an Abbe number v 2 = 41.1 at a wavelength of 546 nm. Such an immersion oil is available, for example, from Zeiss under the name "Immersion Oil 518." If these numbers are used in inequality 8a, the result is 0.00062, which is well below the limit of inequality (8a) and even below that in equation (8c) and thus results in a very good correction of the chromatic aberration shown in Figures 10 to 14. Thus, with this inventive variola, it is possible to achieve chromatic aberrations almost completely and over the entire adjustable distance range avoid.
Die übrigen Konstruktionsdaten des konkreten Beispiels für die erfindungs- gemäße Variolinse sind in der folgenden Tabelle 3 zusammengefast. The remaining construction data of the concrete example for the variolese invention are summarized in the following Table 3.
Tabelle 3 Table 3
Fläche Scheitelradius Dicke Material Area Crest radius Thick material
in mm in mm  in mm in mm
Objektebene OO Variabel F1 00 1 ,500 NLAK8  Object level OO Variable F1 00 1, 500 NLAK8
ImmersionsölImmersion oil
F2 OO 0,250 F2 OO 0.250
518  518
Freiformflächenparameter:  Free-form surface parameters:
Y: 1.1692E-01 X2Y: -1.6940E-03 Y3: -5.6465E-04  Y: 1.1692E-01 X2Y: -1.6940E-03 Y3: -5.6465E-04
X4Y: 1.6363E-08 X2Y3: 2.0062E-08 Y5: 2.9304E-09 F3 oo 1 ,500 NLAK8 X4Y: 1.6363E-08 X2Y3: 2.0062E-08 Y5: 2.9304E-09 F3 oo 1, 500 NLAK8
Freiformflächenparameter: Free-form surface parameters:
Y: 1.1692E-01 X2Y: -1.6940E-03 Y3: -5.6465E-04  Y: 1.1692E-01 X2Y: -1.6940E-03 Y3: -5.6465E-04
X4Y: 1.6363E-08 X2Y3: 2,0062E-08 Y5: 2.9304E-09  X4Y: 1.6363E-08 X2Y3: 2.0062E-08 Y5: 2.9304E-09
F4 00 0,500 F4 00 0.500
Blende 00 0,000 Aperture 00 0.000
F5 18,51472 6,000 FK5 F5 18,51472 6,000 FK5
Asphärenparameter:  Asphärenparameter:
k: 0,0000 k: 0.0000
A: -0,106452 E-04 B: -0.216063E-07 C: -0,285433E-10 D: -0,207670E-12  A: -0.106452 E-04 B: -0.216063E-07 C: -0.285433E-10 D: -0.207670E-12
F6 -76,75116 1 ,000 SF1 F7 306,32659 50,000 F6 -76.75116 1, 000 SF1 F7 306.32659 50,000
DOE-Parameter  DOE parameters
λ0: 546,00 d: -2,2271 E-04 5,3348E-07 λ 0 : 546.00 d: -2.2271 E-04 5.3348E-07
Bildebene 00 0,000 Image level 00 0.000
Die Figuren 15 bis 19 zeigen die Bildfehler, die bei der festbrennweitigen Optik 20 mit vorgeschalteter erfindungsgemäßer Variolinse auftreten. Die vertikalen Achsen bezeichnen wiederum jeweils die geometrisch-optischen Queraberrationen in Millimetern und reichen von -0,05 mm bis 0,05 mm, wobei die linke Seite der Figuren die Queraberration für ein Strahlenbündel mit Achsstrahl als Hauptstrahl in Abhängigkeit von der Y-Koordinate des Öffnungsstrahls in der Austrittspupille zeigt und die rechte Seite eine entsprechende Darstellung der Queraberration für das Strahlenbündel in Abhängigkeit von der X-Koordinate des Öffnungsstrahls in der Austrittspupille. Im Vergleich mit den Bildfehlerkuren des Systems mit Variolinse ohne Immersionsmedium (Figuren 10 bis 14) erkennt man, dass für alle Objektentfernungen und zugehörigen Stellwege der Freiformelemente eine ausgezeichnete Korrektur des Farblängsfehlers erzielt wird. Ein drittes Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Wellenfront- manipulator ist in Figur 20 dargestellt. Der Wellenfrontmanipulator umfasst zwei optische Komponenten 1 , 3, die entlang einer optischen Achse OA hintereinander angeordnet sind und lateral, d.h. senkrecht zur optischen Achse OA, gegeneinander verschiebbar angeordnet sind. Jedes der beiden optischen Elemente 1 , 3 weist eine refraktive Freiformfläche 5, 7 mit einer zugeordneten diffraktiven Struktur 25, 27 auf. Zwischen den optischen Komponentenl , 3 ist eine in ihrem Brechungsindex angepasste Immersionsflüssigkeit 13 vorhanden. Der Wellenfrontmanipulator ist durch eine elastische Dichtmanschette 15, einen dichtenden Balg oder dergleichen gegen ein Auslaufen der Immersionsflüssigkeit 13 geschützt. Alternativ besteht auch die Möglichkeit, die von der Immesrsionsflüssigkeit zu benetzenden Flächen mit einer adhäsiven Beschichtung zu versehen, die einen dünnen Immersionsfilm zwischen den Freiformflächen durch Adhäsionskräfte festhält und so ein Auslaufen der Immersionsflüssigkeit verhindert. Figures 15 to 19 show the aberrations that occur in the festbrennweitigen optics 20 with upstream Vario according to the invention. The vertical axes, in turn, each denote the geometrical-optical transverse aberrations in millimeters and range from -0.05 mm to 0.05 mm, the left side of the figures being the transverse aberration for a beam with the axis of the beam as the main beam as a function of the Y-coordinate of Opening beam in the exit pupil and the right side shows a corresponding representation of the transverse aberration for the beam in dependence on the X-coordinate of the opening beam in the exit pupil. In comparison with the image aberrations of the system with variolinse without immersion medium (Figures 10 to 14) it can be seen that for all object distances and associated travel paths of the free-form elements excellent correction of the longitudinal chromatic aberration is achieved. A third embodiment of a wavefront manipulator according to the invention is shown in FIG. The wavefront manipulator comprises two optical components 1, 3 which are arranged one behind the other along an optical axis OA and are arranged so as to be laterally displaceable relative to one another, ie perpendicular to the optical axis OA. Each of the two optical elements 1, 3 has a refractive free-form surface 5, 7 with an associated diffractive structure 25, 27. Between the optical components 1, 3 there is an immersion liquid 13 adapted in its refractive index. The wavefront manipulator is protected against leakage of the immersion liquid 13 by an elastic sealing collar 15, a sealing bellows or the like. Alternatively, it is also possible to provide the surfaces to be wetted by the immersion liquid with an adhesive coating which holds a thin immersion film between the free-form surfaces by adhesion forces and thus prevents leakage of the immersion liquid.
Das Material der optischen Komponenten 1 , 3 und das Immersionsmedium 13 sind so gewählt, dass ihre Brechungsindizes eine Differenz aufweisen, die eine lineare Funktion der Wellenlänge ist. Außerdem weist das Material/Medium mit dem niedrigeren Brechungsindex eine höhere Dispersion auf als das Material/Medium mit dem höheren Brechungsindex. Ein derartiges optisches Element, das aus einem ersten Material (im vorliegenden Fall das Material der optischen Komponenten) und einem zweiten Material (im vorliegenden Fall das Immersionsmedium) mit unterschiedlichen Brechungsindizes zusammengesetzt ist und das an der Grenzfläche zwischen den beiden Materialien eine diffraktive Struktur besitzt wird auch effizienz-achromatisiertes diffraktives optisches Element (EA-DOE) genannt. Effizienz-achromatisierte diffraktive optische Elemente und die Bedingungen für eine von der Wellenlänge unabhängige Beugungseffizienz sind bspw. in DE 10 2007 051 887 A1 ausführlich beschrieben, auf die insbesondere hinsichtlich der Bedingungen für eine von der Wellenlänge unabhängige Beugungseffizienz verwiesen wird. Die darin genannten Bedingungen können ohne Weiteres auf den vorliegenden Fall, in dem das zweite Medium eine Immersionsmedium ist, übertragen werden. Wenn der erfindungsgemäße Wellenfrontmanipulator auch als effizienz- achromatisiertes diffraktives optisches Element ausgebildet ist, lassen sich refraktiv und diffraktiv wirkende Wellenfrontmanipulatoren herstellen, bspw. Solche mit variabler Brechkraft, bei denen außerdem die Beugungseffizienz der diffraktiven Struktur 25, 27 über einen weiten Wellenlängenbereich nur geringfügig variiert und Falschlicht in unerwünschten Beugungsordnungen unterdrückt wird. Dadurch sind auch diffraktiv wirkende Wellenfrontmanipulatoren realisierbar, in denen die Beugungseffizienz über einen Wellenlängenbereich von mindestens 200 nm, insbesondere mindestens 300 nm nicht mehr als 5% variiert und insbesondere über einen Wellenlängenbereich von mindestens 200 nm nicht mehr als 1% variiert. Beispielsweise können Wellenfrontmanipulatoren für den sichtbaren Spektralbereich realisiert werden, in denen die Beugungseffizienz im Bereich von 410 nm bis 710 nm nicht mehr als 5% variiert und im Bereich von 425 nm bis 650 nm nicht mehr als 1 % variiert. The material of the optical components 1, 3 and the immersion medium 13 are chosen so that their refractive indices have a difference which is a linear function of the wavelength. In addition, the lower refractive index material / medium has a higher dispersion than the higher refractive index material / medium. Such an optical element composed of a first material (in the present case the material of the optical components) and a second material (in this case the immersion medium) having different refractive indices and having a diffractive structure at the interface between the two materials also called efficiency achromatized diffractive optical element (EA-DOE). Efficiency achromatized diffractive optical elements and the conditions for a diffraction efficiency independent of the wavelength are described in detail, for example, in DE 10 2007 051 887 A1, to which reference is made in particular with regard to the conditions for a wavelength-independent diffraction efficiency. The conditions mentioned therein can be easily transferred to the present case where the second medium is an immersion medium. If the wavefront manipulator according to the invention is also embodied as an efficiency-achromatized diffractive optical element, refractive and diffractive wavefront manipulators can be produced, for example those with variable refractive power, in which the diffraction efficiency of the diffractive structure 25, 27 varies only slightly over a wide wavelength range and False light is suppressed in unwanted diffraction orders. As a result, diffractive wavefront manipulators can also be realized in which the diffraction efficiency does not vary more than 5% over a wavelength range of at least 200 nm, in particular at least 300 nm, and in particular varies no more than 1% over a wavelength range of at least 200 nm. For example, wavefront manipulators for the visible spectral range can be realized in which the diffraction efficiency in the range of 410 nm to 710 nm does not vary more than 5% and does not vary more than 1% in the range of 425 nm to 650 nm.
Die diffraktive Struktur kann durch eine Polynomentwicklung entsprechend der Polynomentwicklung für die Freiformflächen (Gleichung (1)) beschrieben werden. Die Phasenfunktion φ hat dann die Form:
Figure imgf000039_0001
Dabei bezeichnet C'm n den Entwicklungskoeffizienten der Polynomentwicklung der diffraktiven Struktur 25, 27 in der Ordnung m bzgl. der x- Richtung und der Ordnung n bzgl. der y-Richtung. Die Koordinaten x und y sowie die Bezugswellenlänge λο sind in Gleichung (10) als dimensionslose Maßzahlen (sog. Lens Units) in Millimetern einzusetzen. Die hierdurch beschriebene diffraktive Struktur kann man sich körperlich so vorstellen, dass, ausgehend von der Trägerfläche, die eine Freiformfläche, eine Planfläche oder eine gekrümmte Fläche sein kann, das zugehörige Segment der diffraktiven Struktur jeweils beim Erreichen eines festen Phasenwertes von 2π einen Sprung um einen Betrag λο/(η(λο)-1) in z-Richtung gegenüber der Trägerfläche aufweist. Die zu einer refraktiven Freiformfläche 5, 7 gehörende diffraktive Struktur 25, 27 wird durch eine Polynomentwicklung beschrieben, die in denselben Polynomordnungen wie die Polynomentwicklung der refraktiven Freiformfläche 5, 7 von Null verschiedene Entwicklungskoeffizienten aufweist. Diejenigen Entwicklungskoeffizienten einer eine refraktive Freiformfläche 5, 7 beschreibenden Polynomentwicklung und der die zugehörige diffraktive Struktur 25, 27 beschreibenden Polynomentwicklung, welche jeweils derselben Polynomordnung zugeordnet sind, stehen dabei in einem festen funktionalen Zusammenhang zueinander. Bei dem erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator sind also jeweils die Entwicklungskoeffizienten der Freiformfläche Cm,n und die Entwicklungskoeffizienten der diffraktiven Struktur C'm,n mit gleichen Werten von n und m von Null verschieden und miteinander insbesondere durch einen festen Proportionalitätsfaktor gekoppelt. Der Proportionalitätsfaktor hängt vorzugsweise von der Dispersion in dem verwendeten Material der optischen Komponenten 1 , 3 ab und ist im jeweils vorliegenden Einzelfall aus einer numerischen Optimierungsrechnung zu bestimmen.
The diffractive structure can be described by a polynomial winding corresponding to the polynomial winding for the freeform surfaces (equation (1)). The phase function φ then has the form:
Figure imgf000039_0001
Here, C ' mn denotes the development coefficient of the polynomial winding of the diffractive structure 25, 27 in the order m with respect to the x direction and the order n with respect to the y direction. The coordinates x and y as well as the reference wavelength λο are to be used in equation (10) as dimensionless numerical measures (so-called lens units) in millimeters. The diffractive structure described in this way can be physically imagined such that, starting from the support surface, which may be a free-form surface, a plane surface or a curved surface, the associated segment of the diffractive structure each leaps around one upon reaching a fixed phase value of 2π Amount λο / ( η (λο) -1) in the z-direction relative to the support surface. The diffractive structure 25, 27 belonging to a refractive free-form surface 5, 7 is described by a polynomial winding which has non-zero development coefficients in the same polynomial orders as the polynomial winding of the refractive free-form surface 5, 7. Those development coefficients of a polynomial winding describing a refractive free-form surface 5, 7 and the polynomial winding describing the associated diffractive structure 25, 27, which are each assigned the same polynomial order, are in a fixed functional relationship to one another. In the case of the wavefront manipulator according to the invention, the development coefficients of the free-form surface C m, n and the development coefficients of the diffractive structure C ' m , n are therefore different from zero with the same values of n and m and in particular coupled to each other by a fixed proportionality factor. The proportionality factor preferably depends on the dispersion in the material used of the optical components 1, 3 and is to be determined in each individual case from a numerical optimization calculation.
Die zur refraktiven Freiformfläche nach Gleichung (2) gehörende diffraktive Struktur besitzt demnach folgende definierende Gleichung:
Figure imgf000040_0001
wobei der Koeffizient C eine zu K proportionale Konstante ist, die mit K in einer von den Dispersionseigenschaften des verwendeten Glases abhängenden und im konkreten Falle numerisch zu bestimmenden Weise in Beziehung steht. Wenn zur Minimierung der Mittendicke der optischen Komponente 1, 3 ferner ein zu y proportionaler Term (Keil- oder Kippterm) addiert wird, dessen optische Wirkung auf den beiden Freiformflächen 5, 7 sich dann nahezu aufhebt, aber eine Minimierung der Mittendicke der Komponente 1 , 3 des Elementes ermöglicht, kann der entsprechende Term dann auch bei der diffraktiven Struktur vorgesehen werden. Allerdings braucht er - in Abweichung zu der oben ausgeführten Lehre, wonach die Phasenfunktion der diffraktiven Fläche 25, 27 und das Höhenprofil der refraktiven Freiformfläche 5, 7 immer die gleichen Polynomterme enthalten - nicht zwingend auch bei der diffraktiven Struktur 25, 27 vorgesehen sein. Das liegt daran, dass ein reiner Kippungsterm auf den Freiformflächen in erster Näherung optisch wirkungslos ist.
The diffractive structure belonging to the refractive free-form surface according to equation (2) accordingly has the following defining equation:
Figure imgf000040_0001
where the coefficient C is a constant proportional to K related to K in a manner dependent on the dispersion properties of the glass used and, in a concrete case, numerically determined. If, in order to minimize the center thickness of the optical component 1, 3, a term proportional to y is also added (wedge or tilt term) whose optical effect on the two free-form surfaces 5, 7 is almost canceled, but a minimization of the center thickness of the component 1, 3 of the element, the corresponding term can then also be provided in the diffractive structure. However, unlike the above teaching, he needs the phase function the diffractive surface 25, 27 and the height profile of the refractive free-form surface 5, 7 always contain the same polynomial terms - not necessarily in the diffractive structure 25, 27 may be provided. This is due to the fact that a pure tilting term on the free-form surfaces is optically ineffective to a first approximation.
Wenn die Freiformflächen zusätzliche Terme höherer Ordnung zur Beeinflussung einzelner Bildfehler gemäß Gleichung (3) aufweisen, weist die zugehörige Phasenfunktion der diffraktiven Struktur dann entsprechend folgende Form auf:
Figure imgf000041_0001
If the free-form surfaces have additional terms of higher order for influencing individual image errors according to equation (3), the associated phase function of the diffractive structure then has the following form:
Figure imgf000041_0001
Falls die Darstellung nach Lohmann gewählt wird (Gleichung (6)), ist die zugehörige Phasenfunktion der diffraktiven Struktur entsprechend durch die Gleichung φ =— · 5· (χ3 + /) (13) zu beschreiben, wobei B wiederum proportional zu A auszulegen ist und von der Dispersion der verwendeten Glasart oder Kunststoffart abhängt. If the representation according to Lohmann is chosen (equation (6)), the corresponding phase function of the diffractive structure is to be described accordingly by the equation φ = - · 5 · ( χ3 + /) (13), where B is again to be interpreted proportional to A. and depends on the dispersion of the type of glass or type of plastic used.
Mit Bezug auf Figur 21 wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel für einen Wellenfrontmanipulator beschrieben, in dem vier optische Komponenten 101 , 103, 111 , 113 vorhanden sind. Jeweils zwei der optischen Komponenten bilden zusammen eine Baugruppe 105, 115, die als ein Wellenfrontmanipulator, wie er mit Bezug auf Figur 1 , Figur 2 oder Figur 20 beschrieben worden ist, angesehen werden kann. Dabei brauchen die Baugruppen 105, 115 nicht gleich ausgebildet zu sein. Bspw. kann eine der Baugruppen als Wellenfrontmanipulator gemäß Anspruch 1 ausgebildet sein, die andere als Wellenfrontmanipulator gemäß Anspruch 20. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel bilden die vier optischen Komponenten 101 , 103, 111 , 113 zwei Baugruppen 105, 115, die jeweils einen Wellenfrontmanipulator gemäß Figur 1 bilden. Der die beiden Baugruppen 105, 115 umfassende Wellenfrontmanipulator ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel in einem Zoom-System angeordnet, das vier Linsengruppen 107 -110 umfasst, die in Figur 21 jeweils lediglich als Linsen vereinfacht dargestellt sind. Die beiden äußeren Linsengruppen 107, 110 sind feststehend und sammelnd ausgebildet, die beiden inneren Linsengruppen 108, 109 verschiebbar und zerstreuend. Die Baugruppen 105, 115 des Wellenfrontmanipulators sind zwischen den beiden inneren Linsengruppen 108, 109 im Bereich einer Aperturblende 106 - etwa vor und hinter der Aperturblende 106, wie dies in der Figur angedeutet ist - positioniert, wo in einer mittleren Zoomstellungein kollimierter Strahlengang und in anderen Zommstellungen zumindest ein näherungsweise kollimierter Strahlengang vorliegt. In der dargestellten mittleren Zoomstellung bilden die optischen Elemente des Zoomsystems eine symmetrische Anordnung bezüglich der Aperturblendenebene. In dem in Figur 21 dargestellten Ausführungsbeispiel dient der Wellenfrontmanipulator dazu, eine trichromatische Korrektion über den gesamten Zoombereich herbeizuführen. Es besteht aber auch die Möglichkeit, mit dem die beiden Baugruppen 105, 115 umfassenden Wellenfrontmanipulator eine dichromatische Korrektion sowie eine Reduktion des Sekundären Spektrums herbeizuführen. Je mehr Baugruppen mit senkrecht zur optischen Achse gegeneinander verschiebbaren optischen Elementen der Wellenfrontmanipulator umfasst, desto mehr Korrektionen bzw. Reduktionen können mit den zusätzlich gewonnenen Freiheitsgraden vorgenommen werden. Auch das Vorsehen diffraktiver Strukturen, wie sie mit Bezug auf Figur 20 beschrieben sind, erhöht die Zahl der Freiheitsgrade und damit auch die Zahl der möglichen Korrektionen bzw. Reduktionen. Je nachdem, welche Art der Korrektion bzw. Reduktion vorgenommen werden soll, kann auch lediglich eine der Baugruppen 105, 115 - mit oder ohne einer diffraktiven Struktur - im Zoomsystem ausreichen. Die vorliegende Erfindung wurde anhand von Ausführungsbeispielen zu Illustrationszwecken ausführlich erläutert. Sie soll jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt sein, da der Fachmann erkennt, dass Abweichungen von den Ausführungsbeispielen im Rahmen der beiliegenden Ansprüche möglich sind. Beispielsweise ist eine Beschränkung der Lateralbewegung lediglich mit Bezug auf das Ausführungsbeispiel mit einem Optokitt als Immersionsmedium zwischen den Freiformelementen beschrieben worden. Ein Fachmann erkennt jedoch, dass auch dann eine Beschränkung der Lateralbewegungen sinnvoll sein kann, wenn statt des Optokits eine Immersionsflüssigkeit als Immersionsmedium Verwendung findet. Die Beschränkung der Lateralbewegung kann dann beispielsweise sicherstellen, dass die Dichtwirkung der Manschette, des Balges, etc. auf jeden Fall im gesamten lateralen Bewegungsbereich sicher gestellt ist. Außerdem können auch andere Überlegungen, etwa eine Beschränkung des für den Wellenfrontmanipulator benötigten Bauraums, zu einer Beschränkung der Lateralbewegung führen. Eine Beschränkung der Lateralbewegung kann bei vorgegebener Wellenfrontwirkung bspw. durch Erhöhung des Skalierungsfaktors k für die Profiltiefe der Freiformfläche herbeigeführt werden. Weiterhin wurden in den Ausführungsbeispielen die Freiformflächen der optischen Komponenten als identisch beschrieben. Tatsächlich können geringfügige Unterschiede zwischen den Freiformflächen vorliegen, etwa zur Berücksichtigung nicht-paraxialer Effekte, die aufgrund der Abweichung der Einfallshöhe von Strahlen an der ersten und zweiten Freiformfläche wegen des endlichen Weges im Immersionsmedium auftreten. Zur Ableitung dieser geringfügigen Abweichungen lässt sich allerdings nur schwer eine allgemeingültige Lehre angeben. Häufig müssen die Abweichungen empirisch ermittelt werden. Zudem besteht auch im dritten Ausführungsbeispiel die Möglichkeit, die Immersionsflüssigkeit durch einen elastischen Optokit zu ersetzen. Ebenso kann in Abweichung von Figur 20 die diffraktive Struktur statt an den Freiformflächen an den Planflächen vorhanden sein, wobei die optischen Komponenten dann mit ihren Planflächen einander gegenüber liegen und das Immersionsmedium zwischen den Planflächen angeordnet ist. Entsprechendes gilt auch für Ausführungsbeispiele ohne diffraktive Struktur. Auch in diesen können die optischen Komponenten so angeordnet sein, dass ihre Planflächen einander gegenüber liegen und das Immersionsmedium zwischen den Planflächen angeordnet ist. Die vorliegende Erfindung soll daher in ihrem Umfang lediglich durch die beigefügten Ansprüche beschränkt sein. Bezuqszeichenliste With reference to FIG. 21, an exemplary embodiment of a wavefront manipulator is described below, in which four optical components 101, 103, 111, 113 are present. Two of the optical components together form an assembly 105, 115, which can be considered as a wavefront manipulator as described with reference to FIG. 1, FIG. 2 or FIG. The assemblies 105, 115 need not be the same design. For example. For example, one of the assemblies may be formed as a wavefront manipulator according to claim 1, the other as a wavefront manipulator according to claim 20. In the present embodiment, the four optical components 101, 103, 111, 113 form two assemblies 105, 115, each forming a wavefront manipulator according to FIG. The wavefront manipulator comprising the two subassemblies 105, 115 is arranged in the present exemplary embodiment in a zoom system which comprises four lens groups 107-110, which are shown in simplified form only as lenses in FIG. The two outer lens groups 107, 110 are fixed and collecting, the two inner lens groups 108, 109 displaceable and dispersive. The assemblies 105, 115 of the wavefront manipulator are positioned between the two inner lens groups 108, 109 in the region of an aperture diaphragm 106 - for example in front of and behind the aperture diaphragm 106, as indicated in the figure, where in a central zoom position a collimated beam path and in others Zommstellungen at least an approximately collimated beam path is present. In the illustrated central zoom position, the optical elements of the zoom system form a symmetrical arrangement with respect to the aperture diaphragm plane. In the exemplary embodiment shown in FIG. 21, the wavefront manipulator serves to bring about a trichromatic correction over the entire zoom range. However, it is also possible to bring about a dichromatic correction and a reduction of the secondary spectrum by means of the wavefront manipulator comprising the two components 105, 115. The more assemblies with optical elements of the wavefront manipulator which are displaceable relative to one another relative to the optical axis, the more corrections or reductions can be made with the additionally obtained degrees of freedom. The provision of diffractive structures, as described with reference to FIG. 20, also increases the number of degrees of freedom and thus also the number of possible corrections or reductions. Depending on what type of correction or reduction is to be made, only one of the assemblies 105, 115 - with or without a diffractive structure - can be sufficient in the zoom system. The present invention has been explained in detail by means of embodiments for illustrative purposes. However, it should not be limited to the embodiments, since the skilled artisan will recognize that deviations from the embodiments in the context of the accompanying Claims are possible. For example, a limitation of the lateral movement has been described only with respect to the embodiment with an optical cement as immersion medium between the free-form elements. A person skilled in the art, however, recognizes that a limitation of the lateral movements may be useful even if, instead of the optokit, an immersion fluid is used as the immersion medium. The limitation of the lateral movement can then ensure, for example, that the sealing effect of the cuff, the bellows, etc. is ensured in any case over the entire lateral range of motion. In addition, other considerations, such as a limitation of the space required for the wavefront manipulator, lead to a limitation of the lateral movement. A limitation of the lateral movement can, for example, be brought about by increasing the scaling factor k for the profile depth of the freeform surface given a given wavefront effect. Furthermore, in the embodiments, the free-form surfaces of the optical components have been described as identical. In fact, there may be slight differences between the free-form surfaces, such as to account for non-paraxial effects due to the deviation of the incident height of rays at the first and second free-form surfaces due to the finite path in the immersion medium. To derive these minor deviations, however, it is difficult to specify a general teaching. Often the deviations must be determined empirically. In addition, it is also possible in the third embodiment to replace the immersion liquid by an elastic optokit. Likewise, in deviation from FIG. 20, the diffractive structure may be present on the planar surfaces instead of on the free-form surfaces, the optical components then facing one another with their plane surfaces and the immersion medium being arranged between the planar surfaces. The same applies to embodiments without diffractive structure. Also in these, the optical components can be arranged so that their planar surfaces face each other and the immersion medium is arranged between the planar surfaces. The present invention should, therefore, be limited in scope only by the appended claims. LIST OF REFERENCES
1 optische Komponente1 optical component
3 optische Komponente3 optical component
5 refraktive Freiformfläche5 refractive free-form surface
7 refraktive Freiformfläche7 refractive free-form surface
9 Planfläche 9 plane surface
11 Planfläche  11 plane surface
13 Immersionslösung 13 immersion solution
15 Manschette 15 cuff
17 elastischer Optokitt 17 elastic optokitt
20 festbrennweitige Gruppe20 fixed group
21 planparallele Platte21 plane-parallel plate
23 planparallele Platte23 plane-parallel plate
25 diffraktive Struktur25 diffractive structure
27 diffraktive Struktur27 diffractive structure
101 optische Komponente101 optical component
103 optische Komponente103 optical component
105 Baugruppe 105 assembly
106 Aperturblende  106 Aperture stop
107 Linsengruppe  107 lens group
108 Linsengruppe  108 lens group
109 Linsengruppe  109 lens group
110 Linsengruppe  110 lens group
111 optische Komponente 111 optical component
113 optische Komponente113 optical component
115 Baugruppe 115 assembly

Claims

Patentansprüche claims
1. Wellenfrontmanipulator mit wenigstens einer ersten optischen Komponente (1 ) und einer zweiten optischen Komponente (3), die entlang einer optischen Achse (OA) hintereinander angeordnet sind, wobei die erste optische Komponente (1 ) und die zweite optische Komponente (3) jeweils in einer Bewegungsrichtung senkrecht zur optischen Achse (OA) relativ zueinander bewegbar angeordnet sind und wobei die erste optische Komponente (1 ) und die zweite optische Komponente (3) jeweils mindestens eine refraktive Freiformfläche (5,A wavefront manipulator comprising at least a first optical component (1) and a second optical component (3) arranged one behind the other along an optical axis (OA), wherein the first optical component (1) and the second optical component (3) respectively in a direction of movement perpendicular to the optical axis (OA) are arranged movable relative to each other and wherein the first optical component (1) and the second optical component (3) each have at least one refractive free-form surface (5,
7) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen der ersten optischen Komponente (1 ) und der zweiten optischen Komponente (3) ein die beiden Komponenten (1 , 3) kontaktierendes Immersionsmedium befindet. 7), characterized in that between the first optical component (1) and the second optical component (3) is an immersion medium contacting the two components (1, 3).
2. Wellenfrontmanipulator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Immersionsmedium eine Flüssigkeit ist. 2. wavefront manipulator according to claim 1, characterized in that the immersion medium is a liquid.
3. Wellenfrontmanipulator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Immersionsmedium ein elastischer Optokitt ist. 3. wavefront manipulator according to claim 1, characterized in that the immersion medium is an elastic Optokitt.
4. Wellenfrontmanipulator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste optische Komponente (1) und die zweite optische Komponente (3) jeweils in einer Bewegungsrichtung senkrecht zur optischen Achse (OA) relativ zueinander um eine Strecke von maximal4. wavefront manipulator according to claim 3, characterized in that the first optical component (1) and the second optical component (3) in each case in a direction perpendicular to the optical axis (OA) relative to each other by a distance of a maximum
50 pm bewegbar sind. 50 pm are movable.
Wellenfrontmanipulator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste optische Komponente (1) und die zweite optische Komponente (3) aus demselben Material bestehen und das Material der optischen Komponenten (1 , 3) und das Immersionsmedium die folgende Bedingung erfüllen: Wavefront manipulator according to one of claims 1 to 4, characterized in that the first optical component (1) and the second optical component (3) consist of the same material and the material of the optical components (1, 3) and the immersion medium satisfy the following condition :
< 0,05 ,<0.05,
Figure imgf000045_0001
wobei ni den Brechungsindex und vi die Abbesche Zahl des Materials der optischen Komponenten (1 , 3) bezeichnen und wobei n2 den Brechungsindex und v2 die Abbesche Zahl des Immersionsmediums bezeichnen.
Figure imgf000045_0001
where ni is the refractive index and vi is the Abbe number of the material of the optical components (1, 3), and n 2 is the refractive index and v 2 is the Abbe number of the immersion medium.
6. Wellenfrontmanipulator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste optische Komponente (1) und die zweite optische Komponente (3) aus demselben Material bestehen und das Material der optischen Komponenten (1 , 3) und das Immersionsmedium die folgenden Bedingungen erfüllen: 6. wavefront manipulator according to one of claims 1 to 5, characterized in that the first optical component (1) and the second optical component (3) consist of the same material and the material of the optical components (1, 3) and the immersion medium, the following Satisfy conditions:
«, - n2 < 0,05 , «, - n 2 <0.05,
wobei ni den Brechungsindex und vi die Abbesche Zahl des Materials der optischen Komponenten (1 , 3) bezeichnen und wobei n2 den Brechungsindex und v2 die Abbesche Zahl des Immersionsmediums bezeichnen. where ni is the refractive index and vi is the Abbe number of the material of the optical components (1, 3), and n 2 is the refractive index and v 2 is the Abbe number of the immersion medium.
7. Wellenfrontmanipulator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der optischen Komponenten (1 , 3) Glas oder Kunststoff ist und das Immersionsmedium ein organischer Kohlenwasserstoff, Wasser oder eine wässrige Lösung ist. 7. wavefront manipulator according to claim 6, characterized in that the material of the optical components (1, 3) glass or plastic and the immersion medium is an organic hydrocarbon, water or an aqueous solution.
8. Wellenfrontmanipulator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der optischen Komponenten (1 , 3) Kunststoff ist und das Immersionsmedium eine mit Alkali-Ionen dotierte wässrige Lösung ist. 8. wavefront manipulator according to claim 7, characterized in that the material of the optical components (1, 3) is plastic and the immersion medium is an alkali-doped aqueous solution.
9. Wellenfrontmanipulator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der optischen Komponenten (1, 3) Quarzglas oder ein kristallines Material ist und das Immersionsmedium hochreines Wasser ist. 9. wavefront manipulator according to claim 7, characterized in that the material of the optical components (1, 3) is quartz glass or a crystalline material and the immersion medium is high purity water.
10. Wellenfrontmanipulator nach einem der Ansprüche 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur der refraktiven Freiformflächen der optischen Komponenten (1 , 3) eine Überlagerung wenigstens zweier Strukturprofile umfasst. 10. wavefront manipulator according to one of claims 1 to 9, characterized in that the structure of the refractive free-form surfaces of the optical components (1, 3) comprises a superposition of at least two structural profiles.
11. Wellenfrontmanipulator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Vorderseite als auch die Rückseite einer optischen Komponente (1 , 3) mit einer refraktiven Freiformfläche versehen ist. 11. wavefront manipulator according to one of claims 1 to 10, characterized in that both the front and the back of an optical component (1, 3) is provided with a refractive free-form surface.
12. Wellenfrontmanipulator nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der refraktiven Freiformfläche (5) der ersten Komponente (1) eine erste diffraktive Struktur (9) zugeordnet ist und der refraktiven Freiformfläche (7) der zweiten Komponente (3) eine zweite diffraktive Struktur (11) zugeordnet ist, wobei die zugeordneten diffraktiven Strukturen (9, 11) eine wellenlängenabhängige Wirkung der jeweiligen refraktiven Freiformfläche (5, 7) beeinflussen. 12. wavefront manipulator according to one of claims 1 to 11, characterized in that the refractive free-form surface (5) of the first component (1) is associated with a first diffractive structure (9) and the refractive free-form surface (7) of the second component (3) second diffractive structure (11) is assigned, wherein the associated diffractive structures (9, 11) influence a wavelength-dependent effect of the respective refractive free-form surface (5, 7).
13. Wellenfrontmanipulator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass 13. wavefront manipulator according to claim 12, characterized in that
die Form einer refraktiven Freiformfläche (5, 7) jeweils durch eine Polynomentwicklung beschrieben wird, die in endlich vielen bestimmten Polynomordungen von Null verschiedene Entwicklungskoeffizienten aufweist,  the form of a refractive free-form surface (5, 7) is described in each case by a polynomial winding which has development coefficients that are different from zero in finitely many definite polynomial orders,
- die einer refraktiven Freiformfläche (5, 7) zugehörige diffraktive - The one refractive free-form surface (5, 7) associated diffractive
(9, 11) Struktur durch eine Polynomentwicklung beschrieben wird, die in denselben Polynomordnungen wie die Polynomentwicklung der refraktiven Freiformfläche (5, 7) von Null verschiedene Entwicklungskoeffizienten aufweist, und - diejenigen Entwicklungskoeffizienten einer eine refraktive(9, 11) structure is described by a polynomial winding which has non-zero development coefficients in the same polynomial orders as the polynomial winding of the refractive free-form surface (5, 7), and those development coefficients one refractive
Freiformfläche (5, 7) beschreibenden Polynomentwicklung und der die zugehörige diffraktive Struktur (9, 11) beschreibenden Polynomentwicklung, welche jeweils derselben Polynom- Ordnung zugeordnet sind, in einem festen funktionalen Zusammenhang zueinander stehen. Freiformfläche (5, 7) descriptive polynomial winding and the corresponding diffractive structure (9, 11) descriptive polynomial winding, each of the same polynomial Order are associated with each other in a fixed functional relationship.
Wellenfrontmanipulator nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der funktionale Zusammenhang von dem in der jeweiligen optischen Komponente (1 , 3) verwendeten Material abhängt. Wavefront manipulator according to claim 13, characterized in that the functional relationship depends on the material used in the respective optical component (1, 3).
Wellenfrontmanipulator nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die erste optische Komponente (1) und die zweite optische Komponente (3) aus demselben Material bestehen, das Material der optischen Komponenten (1 , 3) und das Immersionsmedium Brechungsindizes aufweisen, deren Differenz eine lineare Funktion der Wellenlänge ist, und das Material/Medium mit dem niedrigeren Brechungsindex eine höhere Dispersion aufweist als das Material/Medium mit dem höheren Brechungsindex. Wavefront manipulator according to one of Claims 12 to 14, characterized in that the first optical component (1) and the second optical component (3) consist of the same material, the material of the optical components (1, 3) and the immersion medium have refractive indices whose Difference is a linear function of the wavelength, and the material / medium having the lower refractive index has a higher dispersion than the material / medium having the higher refractive index.
Optisches Gerät mit einem Wellenfrontmanipulator nach einem der vorangehenden Ansprüche. Optical device with a wavefront manipulator according to one of the preceding claims.
Verwendung wenigstens eines Wellenfrontmanipulators nach einem der Ansprüche 1 bis 15 zum Herbeiführen wenigstens einer der Gruppe der folgenden Korrektionen bzw. Redukktionen: dichromatische Korrektion, trich romatische Korrektion, Reduktion des sekundären Spektrums, Reduktion des tertiären Spektrums. Use of at least one wavefront manipulator according to one of claims 1 to 15 for bringing about at least one of the group of the following corrections or reductions: dichromatic correction, trichromatic correction, reduction of the secondary spectrum, reduction of the tertiary spectrum.
Verwendung wenigstens eines Wellenfrontmanipulators nach einem der Ansprüche 1 bis 15 zum Herbeiführen einer stellungsabhängigen Korrektion wenigstens eines Wellenfrontfehlers in einem Zoom- Objektiv. Use of at least one wavefront manipulator according to one of claims 1 to 15 for effecting a position-dependent correction of at least one wavefront error in a zoom objective.
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