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Lexikon der Optik: Objektivprüfung

Objektivprüfung, Verfahren zur Feststellung, wieweit bei einem Objektiv die Grundgrößen der optischen Abbildung (Brennweite, Brennpunktslage u.a.) einerseits und der Korrektionszustand andererseits von den Ergebnissen der Berechnung des Objektivs abweichen.

1) O. durch optische Abbildung. Zur Bestimmung der Grundgrößen der optischen Abbildung stehen verschiedenartige Verfahren zur Verfügung, die je nach Eigenart und Verwendung des zu prüfenden Systems angewendet werden (Brennweitenmessung u.a.). Die Prüfung des Korrektionszustandes kann qualitativ durch Beobachtung der Abbildung geeigneter Testobjekte erfolgen. Bei Fernrohren beobachtet man die Beugungsbilder eines Sterns bzw. eines durch eine kleine beleuchtete Lochblende in genügendem Abstand (etwa 1000fache Brennweite) dargestellten künstlichen Sterns. Aus den Intensitätsverteilungen in den einzelnen Beugungsringen und aus etwaigen Verformungen kann der erfahrene Beobachter auf die Art der vorhandenen Fehler schließen. Bei Photoobjektiven und Hochleistungsobjektiven für die Photolithographie nutzt man Testtafeln, deren Bild das gesamte Aufnahmeformat des Objektivs ausfüllt; sie enthalten Testobjekte unterschiedlicher Art, Liniengitter mit verschiedenen Gitterkonstanten, Kreisfiguren, sternförmige Sektorenraster u.ä.

Zur Bestimmung des Korrektionszustandes benutzt man Verfahren, bei denen der Verlauf einzelner ausgesonderter Strahlen verfolgt wird und die folglich eine experimentelle Nachbildung der trigonometrischen Durchrechnung darstellen. Als Beispiele seien erwähnt:

a) Das Schneidenverfahren (angegeben von L. Foucault, 1878). Das zu prüfende Objektiv bildet einen im Unendlichen liegenden Lichtpunkt in seinem Brennpunkt ab. Bewegt man nun eine in diesem Brennpunkt befindliche Schneide rechtwinklig zur optischen Achse und beobachtet die Linsenöffnung, indem man das Auge direkt hinter die Schneide bringt, so werden bei einem ideal fehlerfreien Objektiv alle Strahlen gleichzeitig von der Schneide verdeckt, wodurch die Erleuchtung der Linsenöffnung gleichmäßig über die ganze Fläche verschwindet. Besitzt das Objektiv jedoch Zonen mit sphärischer Aberration, so daß die diesen Zonen entsprechenden Strahlen vor oder hinter der Schneide vereinigt werden, bemerkt man je nach Schneidenstellung wechselnde Ungleichmäßigkeiten in der Ausleuchtung der Linsenöffnung. A. Wetthauer benutzte dieses Verfahren zur Messung der sphärischen Aberration. Hierzu brachte er in einigem Abstand hinter dem Brennpunkt des zu prüfenden Objektivs O eine Mattscheibe M an (Abb. 1). Dicht vor dieser liegen Ringblenden R verschiedenen Durchmessers, die den einzelnen Zonen des Objektivs entsprechen. Verschiebt man die Schneide S meßbar in Richtung der optischen Achse, so befindet sie sich dann im Brennpunkt F der gerade ausgeblendeten Ringzone, wenn diese gleichmäßig hell erscheint. So kann die Brennpunktslage nacheinander für die einzelnen Zonen gemessen werden.

b) Die Hartmannsche Extrafokalmethode (angegeben von J. Hartmann, 1900). Dicht vor dem zu prüfenden Objektiv O wird eine Blende B mit zwei symmetrisch zur optischen Achse gelegenen kleinen Löchern angebracht, die aus den aus dem Unendlichen kommenden Strahlen zwei der Zone h entsprechende schmale Bündel aussondern (Abb. 2). Diese werden im Brennpunkt Fh vereinigt. Bestimmt man nun die Abstände y1 und y2 der Durchstoßpunkte dieser Bündel in den Ebenen E1 und E2, die in genügendem Abstand vor bzw. hinter dem Brennpunkt liegen und deren Abstand Δ bekannt ist, so läßt sich die Lage des Brennpunktes leicht errechnen. Wiederholt man die Messung bei anderen Werten h, so erhält man die Größe der sphärischen Aberration der einzelnen Zonen. Besonders einfach wird das Verfahren, wenn man in den Ebenen E1 und E2 photographische Aufnahmen der Lichtpunkte macht oder die Lage der Durchstoßpunkte lichtelektrisch bestimmt. Dabei werden bei modernen Verfahren direkt die Queraberrationen gemessen, aus denen man die Fehlerkoeffizienten und die Definitionshelligkeit des zu prüfenden Objektivs rechnerisch ermitteln kann.

c) Das Verfahren der streifenden Abbildung (Wetthauer-Verfahren, angegeben von A. Wetthauer, 1915). Dieses ist weniger genau als die Extrafokalmethode, aber wesentlich einfacher. Im Brennpunkt eines Kollimatorobjektivs O1 befindet sich eine Blende S, die in der Anordnung zur Bestimmung der sphärischen Aberration einen feinen Mehrfachspalt trägt, der von hinten beleuchtet wird (Abb. 3). Vor dem zu prüfenden Objektiv O2 befinden sich austauschbare Zonenblenden B mit ringförmigen Öffnungen, die jeweils die zu prüfende Objektivzone freigeben. In den Objektivbrennpunkt F wird eine um etwa 10° gegen die optische Achse geneigte Photoplatte P gebracht, auf die die Spalte streifend abgebildet werden. Für jede Objektivzone wird eine Aufnahme hergestellt, wobei die Platte P jeweils um eine bestimmte Strecke senkrecht zur optischen Achse verschoben wird. Aus der unterschiedlichen Lage der Stelle der engsten Einschnürung der einzelnen Spaltbilder ist die sphärische Aberration leicht zu berechnen.

d) Das Rasterverfahren (angegeben von F. Jentzsch, 1928). Durch das zu prüfende Objektiv wird eine genügend entfernte kleine Lichtquelle abgebildet. Dicht vor oder hinter dem Bildpunkt ist ein Linienraster R mit etwa 6 bis 8 Linien/mm aufgestellt. Auf einem Schirm S entsteht dann ein Schattenbild des Rasters. Ist das Objektiv frei von sphärischer Aberration, so ist das Schattenbild geometrisch dem Raster vollkommen ähnlich.

Durch Verwendung monochromatischen Lichtes verschiedener Wellenlänge können mit den beschriebenen Verfahren auch die Farbfehler untersucht werden. Eine Reihe weiterer Methoden zur Feststellung des Korrektionszustandes beruhen auf der Untersuchung der Form der Wellenfront mittels Interferenz (s.u.) oder der Messung der optischen Übertragungsfunktion.

2) Interferometrische O. Sie ermöglicht es, mit wenigen Messungen oder Aufnahmen die Größe der einzelnen Restfehler über die gesamte Öffnung eines Objektivs zu bestimmen. Für die O. mittels Interferenzen sind verschiedenartige Anordnungen und Geräte geschaffen worden. Vielfach handelt es sich dabei um Abänderungen der Interferometer-Anordnungen von Michelson sowie Jamin- und Mach-Zehnder. Das Prinzip der interferometrischen O. beruht darauf, daß die vom Objektiv geformte Wellenfront entweder mit einer idealen Wellenfront (erzeugt durch Reflexion an einem Plan- oder einem Hohlspiegel) oder mit sich selbst (Shearinginterferometer) verglichen wird. Häufig wird das Twyman-Green-Interferometer zur interferometrischen O. verwendet. Dabei wird im doppelten Durchgang die Wellenaberration gemessen. Da dies jeweils nur für einen Feldpunkt möglich ist, muß das Objektiv relativ zur Interferometerachse geneigt werden, um für andere Feldpunkte Prüfungen durchführen zu können.

Aus den Wellenaberrationen lassen sich durch Fourier-Transformation die Punktbildverwaschungsfunktion und auch die optische Übertragungsfunktion berechnen. Für qualitative Tests reicht jedoch meist der Vergleich des Interferenzbildes mit typischen Aberrationsbildern aus.

Verzeichnung und Bildfeldwölbung lassen sich interferometrisch nicht vermessen, da diese Aberrationen keine Wellenaberrationen hervorrufen bzw. nur Aberrationen vom Defocus-Typ, die aber bei der Messung als Justierparameter eliminiert werden.



Objektivprüfung 1: Schneidenverfahren nach Foucault und Wetthauer. O Objektiv, F Brennpunkt, S Schneide, R Ringblende, M Mattscheibe.



Objektivprüfung 2: Hartmannsche Extrafokalmethode. B Blende, O Objektiv, Fh Brennpunkt.



Objektivprüfung 3: Verfahren der streifenden Abbildung (Wetthauer-Verfahren). S Blende, O1 Kollimatorobjektiv, B Zonenblende, O2 zu prüfendes Objektiv, F Brennpunkt, P Photoplatte.

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