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APQ JENA Fluorit Quadruplet Polychromat 150/1200: Strehl Ratio vs. Wavelength (365nm – 1014nm)
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APQ JENA Fluorit Quadruplet Polychromat 150/1200: Chromatic Focal Shift vs. Wavelength (365nm – 1014nm)
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Optikdesign

Fluorit Quadruplet Polychromate von APQ JENA

Wir sind der Überzeugung, daß insbesondere die neuen CMOS-Sensoren ein innovatives Optik-Design erfordern, das den gestiegenen Anforderungen an die Abbildungsgüte gerecht wird.

Auch die visuellen Beobachter werden von der Performance der neu entwickelten Fluorit Quadruplet Polychromate profitieren, weil es in den Randbereichen des visuellen Spektrums keinen Abfall des Strehls in die Nähe oder unter die Beugungsgrenze gibt – anders als bei den meisten Apochromaten.

Nachfolgend stellen wir das optische Design der neuen Astro-Objektive ausführlich vor, dessen Entwickler Uwe Laux, Dipl.-Ing. (FH) für Technische Optik, ist (Details zum Optik-Design siehe Laux, Uwe: Astrooptik. Optik-Systeme für die Astronomie. 3. überarbeitete und ergänzte Auflage, 2017, S. 146-155 sowie die diesbezügliche Patentanmeldung).


  • Zielstellung
  • Vierlinser
  • Strehl
  • Sperrfilter
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  • Ölfügung
  • ARB
  • 150/1200
  • Designs

Im Laufe der Entwicklung einer neuen Generation von Astro-Objektiven wurde uns schnell klar, daß das klassische apochromatische Triplet-Design den vollen UBVRI-Spektralbereich (365nm – 1014nm) moderner elektronischer Sensoren (CCD, CMOS) nur zum Teil ausnutzen kann.

Die Zielstellung für die neue Objektivgeneration bestand deshalb für uns darin ein Design zu entwerfen, das in diesem breiten Spektralbereich (möglichst) fehlerfrei abbildet. Dazu müssen mehrere Bedingungen erfüllt sein.

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Bei einem dreilinsigen Apochromat nach dem Stand der Technik ist der besonders störende Gaussfehler nicht korrigierbar.

Erst wenn die Sinus- oder Isoplanasiebedingung erfüllt ist, bildet ein optisches System richtig ab. Ein derartiges Objektiv wird auch als aplanatisches (fehlerfreies) Objektiv bezeichnet.

Die polychromatische Bildgüte wird nicht künstlich verändert bzw. "schön gerechnet", da dies die optische Korrektur nicht verbessern würde. Statt dessen wird das optische System im Spektralbereich von 365nm bis 1014nm mittels einer Wellenlängentabelle und den jeweiligen Wichtungsfaktoren von 1 optimiert.

Das Ergebnis der Optimierungen stellt ein vierlinsiges polychromatisches Basissystem dar, bei dem die CaF₂ Linse geschützt zwischen zwei Linsen aus speziellen optischen Gläsern liegt.

Die vierlinsige Bauform des polychromatischen Objektivs ist besonders für größere Refraktoren ab ca. 130mm Öffnung geeignet. Hier läßt sich der Farblängs- und Gaussfehler optimal korrigieren.

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Der Farblängsfehler zeigt den typischen Verlauf einer polychromatischen Korrektur, d.h. die Kurve hat mehr als 3 Schnittpunkte mit der mittleren Bildebene.

Unser Ziel einer beugungsbegrenzten Abbildungsgüte in Form einer Strehl-Zahl ≥ 0,9 über einen Spektralbereich von 365nm (UV) bis 1014nm (IR) wird durch das innovative Optikdesign vollständig erreicht.

Das neue Optiksystem und Entwurfsdesign wurde von uns unter der Bezeichnung Polychromatisches Objektiv und Verfahren zum Entwurf eines polychromatischen Objektivs, Aktenzeichen 10 2016 123 732.9, beim Deutschen Patent- und Markenamt (DPMA) zum Patent angemeldet.

Bei visuellen Beobachtungen und CCD-Aufnahmen wird eine nahezu fehlerfreie Abbildung gewährleistet. Die Bilder sind hell, praktisch frei von Farbfehlern, Astigmatismus, Koma, Öffnungs- und Gaussfehler; das theoretische Auflösungsvermögen wird fast erreicht.

Insbesondere bei der anspruchsvollen Planetenbeobachtung werden aufgrund der brillanten, detail- und kontrastreichen Abbildungsgüte höchste Vergrößerungen möglich; die optische Überlegenheit gegenüber konventionellen apochromatischen Systemen wird deutlich.

In den Randbereichen des visuellen Spektrums gibt es keinen Abfall des Strehls in die Nähe oder unter die Beugungsgrenze wie bei den meisten Apochromaten, wie die folgende Normierung des Spektralbereiches auf 436nm bis 707nm verdeutlicht:

APQ JENA Fluorit Quadruplet Polychromat 150/1200: Strehl Ratio vs. Wavelength (436nm – 707nm)
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Die extreme Abbildungsgüte des vierlinsigen Polychromats als Basissystem ermöglicht die Kombination von Feldkorrektoren und brennweitenverändernden Systemen wie z.B. Barlow-Systemen und Reducer-Korrektoren.

Der nutzbare Wellenlängenbereich ist 365nm bis 1014nm und damit gegenüber dem eingeschränkten visuellen Spektralbereich klassischer apochromatischer Duplet- und Triplet-Objektive (üblicherweise 436nm – 656nm bzw. 480nm – 707nm) bis zu drei mal breiter.

Dadurch gewinnen unsere Kunden sowohl im UV als auch IR große Anteile des nutzbaren UBVRI-Spektralbereichs moderner CCD- und CMOS-Sensoren mit ihren großen Bilddiagonalen, Pixelzahlen und hoher Quanteneffizienz hinzu.

Hierbei ist bemerkenswert, daß der nutzbare Wellenlängenbereich des neuen Fluorit Quadruplet Polychromats mit denen der CCD- und CMOS-Sensoren fast identisch ist.

Damit erschließen wir völlig neue Forschungs- und Tätigkeitsgebiete. Bisher nicht beobachtbare Strukturen im UV und IR werden sichtbar.

Apochromatische Fluorphosphat- und CaF₂ Duplet- und Triplet-Objektive sind zur Unterdrückung des UV/IR-Spektrums auf UV/IR-Sperrfilter angewiesen.

Da diese Apochromate nur für den visuellen Spektralbereich gerechnet sind, müssen meist die "störenden" Spektralanteile herausgefiltert werden, um ein hinreichend scharfes Bild zu erhalten.

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Im Unterschied dazu ist beim Einsatz der Fluorit Quadruplet Polychromate die Verwendung von derartigen UV-IR-Sperrfiltern nicht nur überflüssig, sondern sogar kontraproduktiv, weil dabei wesentliche spektrale Informationen des Objekts verloren gehen.

Aus dem vierlinsigen Basisdesign können durch Hinzufügen weiterer Linsen, den Ersatz von fluiden, optisch transparenten Medien, durch Luftspalte oder die Ausführung von Glas-Luft-Flächen als Asphären sowie durch Substitution der optischen Gläser durch kristalline und Sondermedien Polychromate mit extremen Öffnungsverhältnissen von f/1 bis f/8 abgeleitet werden.

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Anwendung finden diese Spezial-Polychromate z.B. als Astrographen und andere Systeme mit einem nutzbaren Spektralbereich von 320nm bis 2500nm. Derartige Instrumente sind z.B. spezielle Echellespektrographen, Fokalreduktor- und Kamerasysteme der modernen professionellen Astronomie.

Die eingesetzte Fügetechnologie mittels eines zwischen den Linsen befindlichen fluiden, optisch transparenten Mediums (Fügeöl) bietet gegenüber dem klassischen Fügen der einzelnen Objektivlinsen mit Luftspalten mehrere Vorteile:

Thermische Spannungen zwischen den Linsen sind durch das dazwischen befindliche Fügeöl ausgeschlossen.

Der Ölfilm verhindert Flächenkippungen, wie sie bei einem Luftspalt möglich sind.

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Es gibt weniger Glas-Luft-Flächen und damit praktisch kein Streulicht, die Transparenz des optischen Systems steigt.

Die Anpassung an die Umgebungstemperatur erfolgt schneller, d.h. das optische System hat ein besseres thermisches Verhalten.

Konventionelle Antireflektionsbeschichtungen (ARB) entsprechen nicht den hohen optischen Abbildungseigenschaften der polychromatischen Objektive, da diese gewöhnlich nur für den visuellen Spektralbereich optimiert sind.

Deshalb haben wir für die Fluorit Quadruplet Polychromate ein völlig neues Ultra-AR-Schichtensystem entwickeln lassen, das sich durch eine extrem niedrige Restreflektivität RAVG von < 0,7% über den kompletten Spektralbereich von 365nm (UV) bis 1014nm (IR) auszeichnet.

Die vierlinsige Bauform des Polychromats mit nur zwei Glas-Luft-Flächen (Ausführung mit einer Asphäre ohne Luftspalte) an den Außenseiten reduziert zusammen mit der innovativen AR-Entspiegelung Restreflektionen auf das physikalische Minimum.

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Das Zusammenwirken des CaF₂ mit seiner hohen Transmission über einen weiten Spektralbereich von UV bis IR mit der Ölfügetechnologie ohne Luftspalte führt zu einer weiteren Erhöhung der Transparenz und zu extrem scharfen und reflexfreien Bildern.

Die zur Zeit verfügbare AR-Beschichtungstechnologie begrenzt den in der Praxis nutzbaren Spektralbereich auf 365nm bis 1014nm.

Optional können spezielle UV- bzw. IR-AR-Beschichtungen für Spezialanwendungen angeboten werden.

Ein Fluorit Quadruplet Polychromat ist in verschiedenen Varianten realisierbar. Auf die einzelnen Ausführungsmöglichkeiten kann hier nicht im Detail eingegangen werden. Es wird auf die diesbezügliche Patentanmeldung verwiesen.

Unsere hier vorgestellte Designvariante, ein komplett ölgefügter Fluorit Quadruplet Polychromat 150/1200 mit einer Asphäre, 150mm freier Öffnung und 1200mm Brennweite, entspricht dem der ersten gefertigten Prototypen.

Der Verlauf der Strehl-Zahl in Abhängigkeit der Wellenlänge zeigt einerseits, daß der Wert von ≥ 0,9 nicht nur im Spektralbereich von 365nm (UV) bis 1014nm (IR) erreicht wird.

Andererseits wird auch deutlich, daß eine sehr gute polychromatische Korrektion vom ultravioletten bis in den infraroten Bereich des Spektrums hinein vorhanden ist, so daß dieser Vierlinser von 365nm bis mindestens 1365nm beugungsbegrenzt abbildet.

Der theoretisch nutzbare Wellenlängenbereich dieses vierlinsigen polychromatischen Objektivs beträgt über 1000nm und ist damit drei bis vier mal breiter als der konventieller Duplet- und Triplet-Apochromate.

Praktisch begrenzt die zur Zeit verfügbare AR-Beschichtungstechnologie den nutzbaren Spektralbereich auf 365nm bis 1014nm.

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Der Fluorit Quadruplet Polychromat 150/1200 mit einer Asphäre hat im Wellenlängenbereich von 365nm bis 1365nm einen polychromatischen Strehl von 0,988 und der maximale Fokusshift beträgt ±0,007%:

APQ JENA Fluorit Quadruplet Polychromat 150/1200: Strehl Ratio vs. Wavelength (365nm – 1365nm)
APQ JENA Fluorit Quadruplet Polychromat 150/1200: Chromatic Focal Shift vs. Wavelength (365nm – 1365nm)

Von 365nm bis 1014nm beträgt der polychromatische Strehl 0,988 und der maximale Fokusshift ±0,003%.

Mit der Fertigung der ersten beiden Prototypen des ölgefügten Fluorit Quadruplet Polychromats 150/1200 mit einer Asphäre, 150mm Öffnung und 1200mm Brennweite, haben wir uns ein sehr anspruchsvolles Ziel gesetzt.

Das vierlinsige Design – mit oder ohne Asphäre, komplett ölgefügt, ohne oder mit Luftspalten, mit Öffnungsverhältnissen von f/5,6 (f/3,9 mit Reducer-Korrektor 0,7x) bis f/15 (als Ersatz für das Objektiv des Coudé-Refraktors AS 150/2250) – bietet ein enormes Potential für alle Arten der visuellen und fotografischen Beobachtung.

Nachdem wir mit den ersten Prototypen des Fluorit Quadruplet Polychromats 150/1200 den praktischen Nachweis der Machbarkeit erbracht haben, werden wir unser Portfolio weiter ergänzen.

Dieses Ziel schließt sowohl kleinere, vor allem aber größere Öffnungen ein, wobei die Kunden die Wahl des Öffnungsverhältnisses und der Antireflektionsbeschichtung haben, soweit realisierbar.

Die nachfolgende Tabelle stellt einige mögliche Designs des Fluorit Quadruplet Polychromats vor, bei denen im Spektralbereich von 365nm bis 1014nm ein polychromatischer Strehl > 0,95 und ein großes Öffnungsverhältnis erreicht wird.

D1
(mm)
f2
(mm)
D/f3
Sp4
LCA5
(%)

80
320
f/4
0,96
±0,004

100
450
f/4,5
0,96
±0,003

130
650
f/5
0,96
±0,003

150
840
f/5,6
0,96
±0,003

180
1080
f/6
0,98
±0,004

200
1200
f/6
0,97
±0,004

250
1580
f/6,3
0,97
±0,004

300
2130
f/7,1
0,96
±0,004

1 D…Öffnung
2 f…Brennweite
3 D/f…Öffnungsverhältnis
4 Sp…Polychromatischer Strehl
5 LCA…Fokusshift

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