Die Komplexität bei der Entwicklung telezentrischer Objektivanordnungen besteht darin, dass die Aperturblende in der bildseitigen Brennebene der Frontoptik liegen muss (Bild 3). Sie muss sich daher in einem bestimmten Abstand zu den abbildenden Elementen befinden, was die Freiheitsgrade für die Korrektur der Objektive erheblich einschränkt. Dies wirkt sich insbesondere auf die Koma, den Astigmatismus, die Verzeichnung und die lateralen chromatischen Aberrationen aus, da diese von der Position der Blende abhängen.
Aufgrund der Dispersion, d.h. der Abhängigkeit des Brechungsindexes von der Wellenlänge, treten axiale und laterale chromatische Aberrationen auf. Die Herausforderung bei der Entwicklung von Objektiven, die für den tiefen blauen Spektralbereich optimiert sind, besteht darin, dass die Dispersion im blauen Bereich höher ist als im roten, was bedeutet, dass diese chromatischen Aberrationen bei kürzeren Wellenlängen stärker ins Gewicht fallen.
Die axiale chromatische Aberration eines Objektivs, d.h. der Unterschied zwischen der bildseitigen hinteren Brennweite, hängt von der Wellenlänge (über den Brechungsindex) und von der Brennweite (über die Krümmungsradien) ab. Ein typisches Beispiel ist ein einfaches Objektiv mit einer Brennweite von 100mm aus einer Standardglasart (z.B. N-BK7). In diesem Fall würde die axiale chromatische Aberration für den blauen Spektralbereich bereits 600µm betragen, während sie für den roten Spektralbereich etwa 250µm beträgt. Bei hochdispersiven Gläsern wie N-F2 wird dieser Effekt noch verstärkt. Hier beträgt die axiale chromatische Aberration im blauen Bereich fast 1mm und im roten Bereich bereits 360µm. Wenn die Bildebenen so weit auseinander liegen, führt dies zu einer erheblichen Beeinträchtigung der Abbildungsqualität.
Der beste Weg zur Entwicklung von Blue-Vision-Objektiven besteht darin, die verfügbaren Linsen so anzuordnen, dass die laterale chromatische Aberration weniger als eine Pixelgröße beträgt. Dann liegen die Farbsäume unterhalb der Auflösung des Systems und stören nicht mehr. Zur Farbkorrektur werden die neuen Objektive vor allem für Blau ab 450 bis 490nm Wellenlänge korrigiert. Um sicherzustellen, dass die Objektive im gesamten Spektralbereich eingesetzt werden können, wurde auch eine Korrektur für die längeren Wellenlängen (rot) berücksichtigt. Insgesamt führt dies zu einer hervorragenden Leistung über den gesamten Spektralbereich.
Auflösung vs. DOF bei Blue Vision Objektiven
Für die maximale Auflösung gilt:
R’_Max = 1/(N*lambda)
R’_Max – Maximale auflösbare Ortsfrequenz eines optischen Systems im Bildraum
N – Blendenzahl; lambda – Wellenlänge
Wir sehen, dass die Auflösung mit abnehmender Wellenlänge zunimmt. Für die Schärfentiefe (DOF) gilt:
DOF = r*N(M-1)/M²,
r – zulässiger Streukreisdurchmesser im Bild, N – Blendenzahl, M – Abbildungsmaßstab.
Es zeigt sich, dass die Schärfentiefe nicht von der Wellenlänge abhängig ist. Wir können daraus schließen: Das Verhältnis zwischen zwei Blendenzahlen, die in der Blendenzahlenskala einen Schritt voneinander entfernt sind, beträgt ~1,4. Dies entspricht einer Verdoppelung oder Halbierung der Lichtmenge. Dies ist aber auch das Verhältnis zwischen den Wellenlängen für Rot und Blau: 635nm/470nm = 1,4.
Das Verhältnis zwischen zwei Blendenzahlen, die in der Blendenzahlenskala zwei Schritte auseinander liegen, ist 2. Dies ist aber auch das ungefähre Verhältnis zwischen den Wellenlängen von Infrarot und Blau (1,8). Bei vergleichbarer Auflösung erhöht sich die DOF bei blauem Licht, weil die Blende enger gestellt wird.
Wir haben somit einen Gewinn von einer Blendenzahl bei blauem Licht im Vergleich zu rotem Licht. Die Schärfentiefe wird um den Faktor 1,5 erhöht. Wir haben einen Gewinn von zwei Blendenzahlen bei blauem Licht im Vergleich zu infrarotem Licht. Die Schärfentiefe nimmt um den Faktor 2 zu. Die Beziehungen gelten unabhängig vom Abbildungsmaßstab. Zur Veranschaulichung der Schärfentiefe wurde ein Bauteil mit konzentrischen Bohrungen unterschiedlichen Durchmessers in verschiedenen Höhen mit blauem LED-Licht bei 470nm abgebildet. Bei einer Blende von 16 lassen sich die oberen drei Kanten innerhalb einer DOF von ~5mm erkennen, d.h. ihre Durchmesser können bestimmt werden.