具有衍射光学元件的大地测量仪器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及例如用于经炜仪的大地测量望远镜，该大地测量望远镜包括成像光学 系统，该成像光学系统限定光轴并且包括用于通过目镜和/或在用于对准（registering) 和/或提供瞄准的目标对象的图像的相机传感器上对目标对象成像的观测光束路径。
【背景技术】
[0002] 对于许多应用，特别是用于大地测量、构造和军事应用以及例如用于通过目镜的 直接目视观测和/或用于通过相机的图像记录，需要瞄准装置，特别是望远镜。在大地测量 的范围内，纯粹的观测与对瞄准的目标对象的距离测量的结合在这里是特别重要的，为了 这种结合的目的，除了针对望远镜光束路径的光学系统部件之外，在相应的大地测量仪器 中还需要用于耦合和去耦合传输射线或距离测量射线的光学组件的集成。特别是，要求的 距离测量的高测量精度需要所涉及的光束路径和指定组件的非常稳定的位置和角度。
[0003] 特别是，例如考虑到光强度、成像质量以及聚焦和放大机制，望远镜的光学设置由 望远镜的功能来确定。与诸如例如具有用于接收光束的光学接收器的光电测距仪这样的光 学测量仪器相比，望远镜中的光束例如由人眼来接收，为了这个目的，具有相应非常高的质 量的成像是必要的。对于光学领域的工程师的挑战在于，生产具有短的安装长度但是一般 高成像质量的望远镜。为了实现这种成像质量，需要校正光学像差，诸如球面和彩色、彗差 (coma)和失真。这些校正通过光学部件来执行，其中，诸如透镜的曲率、数目、具有相关的光 学性质的材料和校正部件的布置这样的参数、以及这些部件的高精确的制造和在望远镜中 的精确对准有助于图像质量。
[0004] 在望远镜中，就其在望远镜的图像平面的分辨率而言，所要求的高成像质量需要 产生衍射受限的图像。特别是，图像平面上的图像圆半径范围（即由上述光学像差导致的 图像平面上的来自目标对象的接收光束的光点）作为下限应当仅由衍射极限来确定并且 仅为微米的小数部分。为了能够实现这一点，需要用于将（总）像差限制为小于可见光的 波长的四分之一（即大约IOOnm至200nm)的校正。
[0005] 这里，色差的校正一直是个挑战。众所周知的是，针对不同的波长，介质的折射率 对波长的依赖性，因此，特别地，折射作用的透镜同样对波长的依赖性导致了图像平面/"焦 平面（in-focus plane) "针对不同波长的相互偏移。作为针对这一现象的常规补救措施，研 制出了消色差的透镜（消色差透镜（achromats))。这些消色差透镜（其最普遍是用作"消 色差双合透镜（doublet)"）的特征是具有不同色散（即具有针对不同波长的不同折射率） 的部件的组成部分。这里，使用最频繁的是由火石（flint)玻璃和冕玻璃（crown glass) 制成的元件的整体（ensemble)。使用消色差透镜，能够实现针对两个波长的色上至少大致 无像差的图像。然而，针对色上校正范围外的其它波长的图像仍然位于焦平面的前面或后 面；这种残差也被称为"次级光谱（secondary spectrum)"。能够通过使用具有不同材料的 多于两个透镜的组合来进一步减小色差。
[0006] 在本说明书中，需要在"消色差透镜"和"复消色差透镜（apochromats) "之间进行 区分；这表示校正的类型，即针对两个或三个正确聚焦的波长，而不是其它波长的散焦的程 度。因此，通过利用具有尽可能低的色散的眼镜而不是具有通常相对高的色散的常规眼镜， 即使在特定的校正区域之外，也能够改进消色差透镜和复消色差透镜二者的作用方式。包 含氟石（CaF 2)的眼镜具有特别低的色散，并且用这种材料制成的这样两个透镜通过彼此组 合，已经能够导致很显著的校正。
[0007] 针对不同波长的阿贝数的差也被称为"局部色散"P。除了折射率η和阿贝数V 之外，相对局部色散P作为用于可视系统的质量标准也非常重要。通过示例的方式，相对 局部色散P &F与两个波长g = 435. 8nm和F = 486. Inm相关。普通眼镜的特征是相对局部 色散匕1=3 0+匕，￥,，该关系式描述了所谓的正常线。常数&0和13^通常被设置为 ag,F= 1. 7241和b g,F=-0. 008382,并且V d表示针对波长d = 587. 6nm的阿贝数。通过 不例的方式，Naumann/Sclit'Mcr: "Bauelemente der Optik [Optical modules] ",Chapter 3· 3. 2〃0ptische Glaser [Optical glasses] 〃 (Carl Hanser Verlag publishers, 6th edition)中描绘和描述了这些关系式。
[0008] 可以以数学方式描述色校正的优化。为此，对于由彼此接触的两个薄透镜组成的 双合透镜，材料的阿贝数被用于确定透镜的正确的焦距。提出以下要求：
[0009] fi * v i+fz * v 2= 〇
[0010] 这里，:^和f 2表示两个透镜针对Fraunhofer D线（D-Iine) ( λ = 589. 2nm)的焦 距，V JP V 2是第一透镜和第二透镜的材料的关联的阿贝数。由于这些透镜的阿贝数为正， 因此这些焦距中的一个必须为负，即，关联的透镜必须是发散的，以便满足所述条件。
[0011] 将结合本专利申请的附图来更详细地例示和解释色差的原理。
[0012] 对于诸如望远镜这样的成像系统，在可能的情况，在整个可见光谱上存在对于聚 焦图像（in-focus image)的需求，即，存在对于次级光谱的减少或消除的需求。通常要求 的内容是，纵向色差（次级光谱）小于物镜的焦距的0.2%。
[0013] 然而相对昂贵的许多光学专用眼镜部分地已知用于校正可视系统的光学像差。具 有可能严重偏离正常眼镜的相对局部色散的相对局部色散的专用眼镜特别适合于在宽的 光谱范围内的色校正（色差的减小），即用于降低或提高次级光谱。
[0014] 具有折射光学元件（主要是玻璃透镜）的常规望远镜通常具有许多缺点，特别是 还作为需要用于产生目标对象的高质量图像的上述各种校正的结果。通过示例的方式，这 些常规望远镜涉及光学器件的大的安装尺寸、许多分散的相应元件和高的总重量以及各个 元件在光束路径上的困难且复杂的调整，这一起导致了高的生产成本。
[0015] 为了克服这些缺点，近年来出现了各种方法。首先，这些方法与玻璃元件由塑料元 件的替换有关。这可能表现在以下的事实：塑料制品的光学质量可以同时很大程度上接近 玻璃制品的光学质量。这种替换使得首先重量减少，并且此外在单个元件成本上的降低，特 别是如果通过成形或注射成型而得到的制品是可能的。如果满足多种功能的整体部件的使 用是可能的，则尤其可以降低系统成本；这也减少了必要的相应调整步骤的数目。
[0016] 其次，通过使用衍射光学元件（例如菲涅耳透镜），出现了进一步的优点，结果，光 线的定向影响/偏转的强度不再取决于光学传递的光学元件中的光学路径长度，而是取决 于衍射光学元件的衍射结构的类型和几何分布，结果，实现了体积方面的进一步减小以及 因此相应元件的质量和重量。同样仍然将结合附图更详细地例示和解释菲涅耳透镜的设置 和功能。
[0017] 通过针对更换玻璃透镜的衍射光学结构，能够由单个元件来替换由多个相应透镜 组成的系统。在这个处理中，利用特别适合于此的衍射光学元件，可以校正球面像差和色差 二者。特别是，衍射光学元件的第一衍射级（衍射的第一级）被用于色校正。为此，可见光 谱中的阿贝数通常在-3. 5和-3. 3之间（取决于分别使用的材料），因此与具有折射效果的 光学元件（例如由玻璃或塑料制成）相比，阿贝数为负数。常规眼镜具有在20到80之间 的阿贝数。因此，需要仅具有非常弱的效果的衍射透镜用于折射透镜的色校正。未发现利 用更高级衍射的校正是有利的，因为衍射结构失去了其衍射特性并且甚至表现出更多折射 的特性。
[0018] 专利文献DE 199 41 638 Cl公开了具有望远镜和用于发射测量辐射的激光装置 的大地测量仪器，其中，在用于射出的激光的激发光束路径中使用了衍射光学元件。这里， 衍射光学元件被实施为设置有结构全息图（hologram)的透明板，该透明板布置在激发光 束路