background image

Correction Of Chromatic Abberration In Hybrid Objectives 

03-02-24 

 

str. 1/1 

 

CORRECTION OF CHROMATIC ABERRATION  

IN HYBRID OBJECTIVES 

 

Marek Zając 
Jerzy Nowak 

 

Institute of Physics, 

Wrocław University of Technology 

Wyspiańskiego 27, PL 50-370 Wrocław, Poland 

Email: zajac@if.pwr.wroc.pl 

 

Key words: 
  Correction of aberrations 
  Hybrid lens 
  Chromatic aberration 

 

ABSTRACT 

 

In this paper two three-element's hybrid objectives are presented; in one of which one of 

the  lenses  is  made  from  fluorite,  in  the  other  -  from  special  glass.  Both  have  corrected 
chromatic  aberration  in  the  wavelength  range  0.435 µm<λ<0.852 µm.  For  both  objectives 
spherochromatic aberration is calculated and maximum aperture angle estimated. The imaging 
quality obtained is compared to that of typical apochromatic objectives: refractive and hybrid 
ones built without use of special glasses. 

background image

Correction Of Chromatic Abberration In Hybrid Objectives 

03-02-24 

 

str. 2/2 

 

I.   INTRODUCTION 

 

State of chromatic aberration correction serves usually as the initial criterion of the optical 

system usefulness. The simplest correction of this aberration can be obtained in doublet built 
of two lenses made of conventional glasses of different Abbe numbers. For more advanced - 
apochromatic  -  correction  at  least  one  special  glass  has  to  be  used.  Practically  useful 
achromatic  objective  is  designed  as  three-component's  one.  The  objective  with  the  best 
corrected chromatic aberration is superachromate, free from chromatism in the whole range of 
wavelengths between 0.365 µm and 1.014 µm. As it has been shown by Herzberger [1] such 
correction  can  be  obtained  in  triplet  objective  made  of  appropriately  chosen  glasses.  The 
easiest way to receive superachromate is to use fluorite for one of the lenses, however one can 
find a triple of glasses suitable for this aim.  

In  modern  optics  diffractive  elements  (DOE)  as  well  as  hybrid  i.e.  diffractive-refractive 

lenses are used frequently. The diffractive structure has a form of concentric fringes deposited 
on one of the lens surfaces. The geometry of fringes corresponds to the interference pattern 
originated by two spherical waves of radii of curvature z

α

 and z

β

 and these values determine 

the focusing power of diffractive structure [2] 



=

Φ

β

α

λ

λ

z

z

D

1

1

0

                                            (1) 

where λ

0

 is a wavelength for which the structure is designed and λ is the actual wavelength. 

Dispersive properties of diffractive structure can be described by the parameters analogous 

to Abbe number and partial dispersion defined as: 

C

F

D

D

λ

λ

λ

=

ν

                                                (2) 

C

F

D

F

D

P

λ

λ

λ

λ

=

                                                (3) 

It is worth noticing that ν

D

 differs substantially from Abbe numbers for all kinds of optical 

materials, including special glasses, both in its value and its sign. The diffractive structure can 
be  used  successfully  as  one  of  the  components  of  an  objective  of  corrected  chromatic 
aberration.  In  hybrid  doublet  we  can  have  achromatic  correction,  however  the  secondary 
spectrum is much greater than for classic glass achromates [3]. More advanced correction - 
apochromatic - can be achieved in hybrid objective even without special glasses [3,4] 

In this paper we investigate the possibility to compensate chromatic aberration in enlarged 

wavelength range of a hybrid objective with special glasses as  well as estimate a maximum 
aperture for which spherochromatic aberration can be corrected. 

 

II.   CORECTION OF CHROMATIC ABERRATION IN TRIPLET 

 
In order to obtain an apochromatic correction the following formulae should be fulfilled 

0

3

3

2

2

1

1

=

Φ

+

Φ

+

Φ

ν

ν

ν

                                             (4) 

0

,

3

3

3

,

2

2

2

,

1

1

1

=

Φ

+

Φ

+

Φ

D

D

D

P

P

P

ν

ν

ν

                                    (5) 

1

3

2

1

=

Φ

+

Φ

+

Φ

                                              (6) 

where indices 1,2,3 denote particular elements composing hybrid triplet objective. The set 

of equations (4-6) assure compensation of chromatic aberration for three wavelengths: λ

F

, λ

D

 

background image

Correction Of Chromatic Abberration In Hybrid Objectives 

03-02-24 

 

str. 3/3 

and  λ

C

.  Typically  we  assume,  that  diffractive  structure  is  deposited  on  the  first  lens  and 

therefore for ν

1

P

1,D

, Φ

1

 the formulae (2), (3) and (1) have to be taken, while ν

2

 P

2,D

, Φ

2

 and 

ν

3

 P

3,D

, Φ

3

 describe  

The set of equations (4-6) has a non-zero solution if  

0

1

1

1

3

2

1

,

3

,

2

,

1

ν

ν

ν

D

D

D

P

P

P

                                            (7) 

The focusing powers of particular elements composing apochromatic triplet are given by: 

(

)

3

2

1

3

1

1

ν

ν

ν

ν

ν

+

=

Φ

D

D

C

C

                                        (8) 

(

)

3

2

1

3

2

2

ν

ν

ν

ν

ν

+

=

Φ

D

C

                                        (9) 

(

)

(

)

3

2

1

3

2

3

1

ν

ν

ν

ν

ν

+

=

Φ

D

D

C

C

                                        (10) 

where 

D

D

D

D

D

P

P

P

P

C

,

3

,

1

,

3

,

2

=

                                               (11) 

If the chromatic aberration is compensated for four wavelengths we have superachromatic 

correction. To this aim the following condition has to be fulfilled [1] 

0

1

1

1

2

,

3

2

,

2

2

,

1

1

,

3

1

,

2

1

,

1

=

λ

λ

λ

λ

λ

λ

P

P

P

P

P

P

                                           (12) 

The chromatic aberration equals zero for the wavelengths λ

1

, λ

F

, λ

C

 and λ

2

 and in the whole 

range  λ

1

<λ<λ

2

  is  practically  compensated.  For  refractive  triplet  good  correction  can  be 

achieved in the wavelength range 0.365 µm<λ<1.014 µm.  In many cases, in particular if the 
objective  is  designed  for  visual  instruments,  such  wide  wavelength  range  seems  to 
unnecessary. Good chromatic correction for the range 0.435 µm<λ<0.852 µm can be obtained 
using  two  refractive  lens  and  one  diffractive  structure.  In  the  following  we  assume  that 
diffractive structure is deposited on the first refractive surface. 

 

III.   CORRECTION OF SPHEROCHROMATIC ABERRATION 

 
Two  exemplary  triplet  objectives  are  designed  according  to  the  formulae  derived  in  the 

previous paragraph. Their construction data are presented in the Table 1 and denoted there as 
No.3 and No.4 respectively. In the first of them fluorite is used. 

For comparison two typical apochromatic lenses are taken and their data are also presented 

in  the  Table  1.  Typical  glass  apochromate  [6]  is  denoted  there  as  No.1  and  hybrid 
apochromate built without special glass [3] is denoted there as No.2.  

In the Figure 1 chromatic aberration curves for all four lenses are presented. It can be seen, 

that correction of comparative objectives No.1 and No.2 is typically apochromatic, while the 
wavelength  range  of  chromatism  correction  for  the  lenses  No.  3  and  No.  4  is  substantially 
wider, as it was expected (especially for the lens with fluorite).  

Sphero-chromatic aberration is presented in the Figure 2. In spite of the fact, that lenses 

No.1 and No.2 were optimized only for three wavelengths 

λ

F

λ

D

 and 

λ

C

 on the graphs there 

are  also  curves  corresponding  to 

λ

g

 = 0.436 

µm  and  λ

s

 = 0.852 

µm.  The  F-number  of 

background image

Correction Of Chromatic Abberration In Hybrid Objectives 

03-02-24 

 

str. 4/4 

investigated  lenses  are  F/5  for  lenses  No.1  and  No.2,  F/3  for  lenses  No.3  and  No.4.  This 
choice follows from the analysis of spherochromatic aberration.  

The  estimation  of  the  maximum  acceptable  aperture  on  the  basis  of  spherochromatic 

aberration  seems  to  be  not  decisive.  We  verified  it  basing  on  the  analysis  of  the  size  of 
aberration spots assuming that that Marechal criterion has to be satisfied. The F-number for 
which  maximum  intensity  in  the  center  of  monochromatic  aberration  spot  calculated  in  the 
best focus plane is not smaller than o.8 are evaluated and given in the column 3 of the Table 2 
(this column being denoted "F

M

". Since Marechal criterion is highly rigorous the lens aperture 

can be slightly greater in practice. Therefore the following values: F/5 for the lenses No1 and 
No2, F/4.5 for the lens No3 and F/4 for the lens No4 are adopted finally. For such objectives 
polychromatic  aberration  spots  are  calculated  in  the  best  focus  plane  and  presented  in  the 
Figure 3. Some parameters characterizing these spots such as maximum intensity (I

max

) in the 

spot center and diameter of the circle enclosing 80% of light energy (D

08

) are presented also 

in the Table 2. 

Analyzing the presented graphs and data we can conclude, that even apochromatic hybrid 

objectives can be designed without use of special glasses the use of such glasses enables to 
improve  remarkably  correction  of  sphero-chromatic  aberration  and  obtain  better  chromatic 
correction. 

 

REFERENCES 

 

1.  Herzberger M., McClune N.R., Appl. Optics, vol. 2, 553, 1965, 
2.  Nowak J., Optica Aplicata, vol. 30, 213, 2000, 
3.  Nowak J., Masajada J., Opt. Applicata vol. 30, 271, 2000, 
4.  Smith W. J., Modern Optical Engineering, McGraw Hill Comp.,  
5.  "Zeemax 5e" Optical Design Program ver. 4.0.0, Focus Software Inc.,  
 
 

background image

Correction Of Chromatic Abberration In Hybrid Objectives 

03-02-24 

 

str. 5/5 

TABLE 1 

Construction data of four investigated objectives 

 

R [mm] 

d [mm] 

Glass/DOE 

Lens No.1 

63.434 

 

 

 

2.0 

F2 

-35.212 

 

 

 

2.0 

KzFSN5 

28.5395 

 

 

 

2.0 

FK51 

-68.4290 

 

 

Lens No.2 

45.395 

 

 

 

DOE 

z

α 

= -13.5000 

z

β 

= -13.4745 

45.395 

 

 

 

3.0 

BK3 

83.100 

 

 

 

1.0 

SF5 

723.04 

 

 

Lens No.3 

40.00 

 

 

 

DOE 

z

α 

= -12.0000 

z

β 

= -11.9919 

40.00 

 

 

 

7.0 

FK52 

-52.00 

 

 

 

0.2 

air 

-51.45 

 

 

 

1.0 

BaF9 

∞ 

 

 

Lens No.4 

42.483 

 

 

 

DOE 

z

α 

= -19.0000 

z

β 

= -18.9784 

42.483 

 

 

 

5.5 

Fluorite 

-125.0 

 

 

 

0.8 

air 

-76.50 

 

 

 

1.0 

SF5 

-150.8675 

 

 

 

background image

Correction Of Chromatic Abberration In Hybrid Objectives 

03-02-24 

 

str. 6/6 

 

Table 2 

Selected parameters describing imaging quality of four investigated objectives 

 

Lens 

F

final 

F-number

I

max, mono 

I

max, poli 

D

08,poli

 [mm] 

No.1 

F/4.75 

F/5 

0.90 

0.64 

0.016 

No.2 

F/4.85 

F/5 

0.88 

0.42 

0.028 

No.3 

F/4.35 

F/4.5 

0.86 

0.66 

0.013 

No.4 

F/3.88 

F/4 

0.84 

0.72 

0.011 

 

background image

Correction Of Chromatic Abberration In Hybrid Objectives 

03-02-24 

 

str. 7/7 

 
 
 
 
 

              a)                              b) 

 
              c)                                d) 

 

Fig. 1   Chromatic aberration of four investigated objectives: 

a)  No.1, b) No.2, c) No.3, d) No4. 

background image

Correction Of Chromatic Abberration In Hybrid Objectives 

03-02-24 

 

str. 8/8 

 
 
 
 
 

      a)                              b) 

      c)                              d) 

 

Fig. 2   Sphero-chromatic aberration of four investigated objectives: 

b)  No.1, F/5, b) No.2. F/5, c) No.3, F/3, d) No4, F/3. 

 

background image

Correction Of Chromatic Abberration In Hybrid Objectives 

03-02-24 

 

str. 9/9 

 
 

      a)                                b) 
 
 

      c)                                d) 
 

 

Fig. 3   Polichromatic aberration spots in best focus plane for four investigated objectives: 

c)  No.1, F/5, b) No.2. F/5, c) No.3, F/4.5, d) No4, F/4.