Achromatische Linsen und ihre Eigenschaften

In diesem Text erhalten Sie Antworten auf die folgenden Fragestellungen:

• Wie ist die achromatische Linse aufgebaut?

• Was sind Asphärische Achromate?

• Was sind die wichtigsten Eigenschaften?

• Auswirkung auf und Verbesserung der polychromatischen Bildgebung

• Korrektur von sphärischer Aberration und Koma auf der optischen Achse

• Hellere Bilder und besserer Energiedurchsatz

Wie ist die achromatische Linse aufgebaut?

Eine achromatische Linse, auch bezeichnet als "Achromat", besteht in der Regel aus zwei optischen Komponenten, die miteinander verkittet sind. In der Regel handelt es sich um ein Element mit einem niedrigen Brechungsindex (Kronglas) und positiver Brechkraft, sowie aus einem Element mit hohem Brechungsindex (Flintglas) und negativer Brechkraft. Gegenüber einer Einzellinse, die nur aus einem Stück Glas besteht, lassen sich bei einem Achromaten mehr Freiheitsgrade anpassen und die Eigenschaften können entsprechend optimiert werden. Eine achromatische Linse hat daher deutliche Vorteile gegenüber einer Einzellinse mit vergleichbarem Durchmesser und vergleichbarer Brennweite.

Achromatische Linsen gibt es in vielen Varianten, zum Beispiel mit positiver oder negativer Brennweite, als Triplett und sogar Asphärisch. Zu beachten ist, dass die Zahl der Elemente, also ob es sich um ein Doublett oder ein Triplett handelt, nicht mit der Farbkorrektur zusammenhängt. Eine achromatische Linse, die für das sichtbare Spektrum ausgelegt ist, korrigiert immer für rotes und blaues Licht, unabhängig von der konkreten Ausführung. Die einzelnen Bauformen sind in den Abbildungen 1-4 dargestellt.

Abb.1: Positiver Achromat

Abb.2: Negativer Achromat

Abb.3 Triplett

Abb.4 Asphärischer Achromat

Asphärische Achromate

Eine neue Technologie, die die hohe Bildqualität einer Asphäre mit der präzisen Farbkorrektur einer achromatischen Linse kombiniert: Ein asphärischer Achromat ist eine kosteneffiziente Möglichkeit, sphärische und chromatische Aberrationen zu korrigieren und kann somit die immer höheren Anforderungen der Bildgebung an moderne optische und visuelle Systeme auf äußerst wirtschaftliche Art und Weise erfüllen. Relaisoptiken, Kondensorsysteme, Objektive mit hoher numerischer Apertur und Strahlaufweiter sind einige Beispiele für optische Systeme, bei denen mit asphärischen Achromaten Verbesserungen möglich sind. Die Abbildungen 5 und 6 erlauben den Vergleich zwischen einem regulären Achromaten und einem asphärischen Achromaten. Abbildung 5 zeigt die Modulationstransferfunktion (MTF) und die Queraberration eines Strahlenbündels für den TECHSPEC®-Achromat #45-209 mit 12,5 mm Durchmesser und einer Brennweite von 14 mm. Abbildung 6 dagegen zeigt zum Vergleich den asphärischen TECHSPEC®-Achromat #49-658 mit 12,5 mm Durchmesser und 14 mm Brennweite. Es ist klar zu erkennen, dass die Auflösung bei dem asphärischen Achromat deutlich besser ist.

Abb.5: Modulationstransferfunktion MTF und Queraberration eines Strahlenbündels für Achromate

Abb.6: Modulationstransferfunktion MTF und Queraberration eines Strahlenbündels für asphärische Achromate

Ein asphärischer Achromat besteht aus zwei Glaselementen und einem photosensitiven Polymer. Das Polymer wird auf eine Seite des Doubletts aufgetragen und bildet die asphärische Oberfläche. Dieser Aufbau bringt auch Nachteile mit sich. Im Gegensatz zu einem reinen Glaselement hat ein asphärischer Achromat einen kleineren Betriebstemperaturbereich von -20°C bis +80°C. Dieser Temperaturbereich begrenzt außerdem die Auswahl der Antireflexbeschichtungen. Zudem sind die verwendeten Materialien für UV-Licht undurchlässig, was die asphärischen Achromate für einige Anwendungen ungeeignet macht. Die Linse ist nicht besonders kratzbeständig, aber kostengünstig und lässt sich einfach wechseln. Durch diese Einschränkungen scheiden zwar einige Anwendungen aus, die Vorteile der Technologie sind dennoch erheblich. Abbildung 7 zeigt den Fertigungsprozess in einer Übersicht.

Diamantgeschliffene Asphärenform und achromatische Linse

Fotopolymerinjektion

Pressen und UV-Aushärten von Achromaten

Fertiger asphärischer Achromat

Abb.7: Herstellung asphärischer Achromate

Wichtige Eigenschaften

Verbesserte polychromatische Bildgebung

Ein Achromat ist einer einfachen Linse bei Abbildungen mit mehreren Farben, wie es insbesondere bei weißem Licht der Fall ist, deutlich überlegen. Die beiden Elemente, die einen Achromat bilden (wörtlich "Linse ohne Farbe"), werden so ausgewählt, dass die farbabhängige Fokusverschiebung für rotes und blaues Licht gerade ausgeglichen wird. Da die problematischen chromatischen Aberrationen beseitigt werden, ist ein Achromat die kostengünstigste Möglichkeit für eine gute polychromatische Beleuchtung und Abbildung. Ein Beispiel für dieses Konzept finden Sie in Abbildung 8.

Abb.8: Polychromatische Bildgebung mit plankonvexer Linse und achromatischer Linse

Korrektur von sphärischer Aberration und Koma auf der optischen Achse

Eine Reduktion von sphärischer Aberration und Koma bedeuten bessere Abbildungseigenschaften auf der optischen Achse, auch bei großer Apertur. Im Gegensatz zu einer einfachen Linse besitzt ein Achromat die bessere Fokusleistung und erzeugt bessere Bilder bei gleichbleibender Apertur. Die Abbildungen 9 - 11 verdeutlichen die Abbildungsfehler der Einzellinse im Vergleich zum Achromaten. Speziell zeigt Abb.10 den Effekt der sphärischen Aberration, Abb.11 die chromatische Aberration. Die sphärische Aberration ändert sich mit der Blendenzahl (f/#) und ist bei einer kleinen Apertur geringer.

Abb.9: Achromat

Abb.10: Farblängsfehler

Abb.11: sphärische Aberration

Hellere Bilder und besserer Energiedurchsatz

Da die Abbildungseigenschaften auf der optischen Achse bei einem Achromaten nicht von der Apertur abhängen, ist es nicht notwendig, das System abzublenden. Abblenden heißt, dass die Apertur mit einer festen oder verstellbaren mechanischen Blende beschränkt wird, um die Auflösung zu verbessern. Da die gesamte freie Apertur genutzt werden kann, sind Achromate und Systeme aus Achromaten schneller, effizienter und leistungsfähiger als vergleichbare Systeme mit Einzellinsen.