CS272928B1 - Colour divider for multi-colour light's division into uni-colour components and method of colour divider making with active dividing layer - Google Patents

Description

Vynález se týká barevného děliče pro dělení vícebarevného světla do jednobarevných komponent a způsobu zhotovení aktivní dělicí vrstvy tohoto barevného děliče.

Dělení bílého světla do barevných komponent je potřebné v celé řadě aplikací, například u děličů do videokamer, v barevných analyzátorech a jinde. Náročnost dělicích systémů narůstá, jestliže, dělení do barevných komponent probíhá současně, když vlnoplochy dělené systémem nesou obrazovou informaci a když požadujeme i dostatečnou světelnou účinnost dělení a definovaný průběh spektrálních charakteristik.

Tradiční řešení spočívá v amplitudovém dělení světla a potřebných charakteristik v jednotlivých kanálech dosahujeme pomocí přesně definovaných dichroických a absorpčních filtrů a speciálních výbrusů optických hranolů. Dodržení přesně definovaných dělicích charakteristik je spojeno s dodržením velmi náročných výrobních parametrů všech dílčích komponent, což má za následek značné nároky při výrobě a montáži. Další způsob řešení spočívá ve využití polarizačních vlastností dopadajícího světla, kdy je možno s pomocí dielektrických polarizačních vrstev nanesených na hranolech a vhodnou korekcí pomocí absorpčních filtrů dosáhnout potřebných dělicích charakteristik. Nedostatky tradičních postupů spočívají především ve vysoké výrobní náročnosti, všech jednotlivých komponent, náročnosti montáže a justáže a odtud plynoucí vysoký výměr při výrobě. Dalším nedostatkem je skutečnost, že tímto způsobem lze běžně realizovat maximálně tříkanálové systémy. Systém čtyřkanálový, z hlediska kolorimetrického i technického nejdokonalejší, který obsahuje vedle tří barevných složek, ještě jasový kanál, například pro účely televizních kamer, je prakticky realizovatelný jen za cenu takových nákladů, že je pro standardní masovou výrobu nepoužitelný.

Uvedené nedostatky odstraňuje barevný dělič pro dělení vícebarevného světla do jednobarevných komponent a způsob zhotovení barevného děliče s aktivní dělicí vrstvou podle vynálezu. Barevný dělič je určen pro dělení vícebarevného světla do jednobarevných komponent, rozdělující světelný vícebarevný signál dopadající ve Směru jednotkového vektoru 1θ (x, y, z) do vícepožadovaných barevných komponent, šířících se ve směrech jednotkových vektorů 1^ (x, y, z) a v barvách o středních vlnových délkách i = 1, 2,...až m, jehož podstata spočívá v tom, že se skládá z nosného substrátu volitelného tvaru, na kterém je nanesena vlastní aktivní dělicí vrstva, jež je překryta krycí vrstvou, přičemž aktivní dělicí vrstva je tvořena opticky exponovanou a technologicky zpracovanou holografickou záznamovou vrstvou objemového vícenásobného holografického optického prvku, obsahující maximálně m-dílčích objemových mřížkových struktur s mřížkovými vektory (x, y, z), kdy i = 1, 2,...až m, jejichž lokální hodnota v místě (x_h, Yjj, z_h) aktivní dělicí vrstvy je K. = (2(1θ - 1^).

Za aktivní dělicí vrstvou je ve směru průchodu dopadajícího světla umístěn optický filtr a jedna z požadovaných barevných komponent je tvořena za optickým filtrem nultým difrakčním řádem.

Aktivní dělicí vrstva se skládá buS z jediné záznamové vrstvy vícenásobně exponované a nesoucí všechny mřížkové struktury, nebo z více záznamových vrstev separátně exponovaných a nesoucích dílčí mřížkové struktury, přičemž výsledná aktivní dělicí vrstva je z těchto elementárních vrstev sestavena do sendviče, s výhodou stmeleného.

Podstata způsobu zhotovení aktivní dělicí vrstvy barevného děliče pro dělení vícebarevného světla do jednobarevných komponent podle vynálezu spočívá-v tom, že požadovaná konstantní dílčí mřížková struktura i-té barevné komponenty s mřížkovým vektorem v záznamovém holografickém prostředí se vytvoří expozicí interferenčního pole dvojice koherentních rovinných vln s volitelnými vlnovými délkami a jednotkovými vektory ve směru šíření l^_a, 1^, dávajícími mřížkovou strukturu s mřížkovým vektorem 1C = = (2 ΤΕ'/,Χ ^,) (l^_b, - lj__ai) lak, že P^i lokální orientaci záznamové vrstvy v rovině (x, y) ortogonální složky vektoru jsou rovny: Κ_ίχ, , = K_iy, K_iz, ^·^κίζ, a je technologický rozměrový faktor měnící v důsledku zpracování g^-krát rozměr

CS 272 928 B1 vrstvy ve směru kolmém na jeho povrch.

Hlavní přednosti barevného děliče podle vynálezu spočívají v tom, že z hlediska . výroby je navrhovaný systém v podstatě jedno- nebo máloprvkový. Potřebná vícefunkčnost se dociluje vícenásobnou holografickou expozicí, nikoliv mechanickou výrobou. Tím se .pronikavě snižují náklady výmětem při špatné montáži a justáži. Výrobní náklady, v souvislosti se zcela jinou technologií výroby, to je optickým záznamem a fotochemickým zpracováním jsou nesrovnatelně nižší, tudíž způsob je vhodný i pro masovější výrobu. Spektrální charakteristiky děliče je možno v širokých mezích ovládat volbou parciálních difrakčních účinností jednotlivých komponent, selektivitou jednotlivých difrakčních křivek a polohou spektrálních maxim difrakce pro jednotlivé barevné složky. Lze dosáhnout výstupní parametry přinejmenším srovnatelné s konvenčními způsoby, navíc principiální rozšíření na čtyřkanálový systém nepředstavuje nové principiální problémy. Je možno docilovat značné geometrické variability v uspořádání. Dělicí systém je mechanicky tenký, tudíž i další optické systémy, například objektivy, detekční prvky, mohou být proti konvenčním značně variabilnější. Plocha navrhovaného dělicího systému oproti konvenčím systémům může být mnohem větší. Holůgrafický optický element, tvořící aktivní dělicí vrstvu, může mít i funkci zobrazovací, v závislosti na naexponované vlnoploše, a může tak přejímat i část funkce následujícího zobrazovacího objektivu. Dělič může sloužit i jako prvek slučovací, kdy je možno z barevných komponent sestavovat komplexnější signál.

Předpokladem úspěšné realizace je zvládnutí výroby holografických optických prvků na dostatečné teoretické, technické i technologické úrovni.

Vynález a jeho účinky jsou blíže vysvětleny v popisu dvou konkrétních příkladů jeho provedení podle výkresů, kde obr. 1 znázorňuje v řezu v nárysu schematicky barevný dělič pro dělení vícebarevného světla do jednobarevných komponent podle vynálezu, obr. 2 znázorňuje v ře2u v nárysu schematicky tříkanálový barevný dělič pro dělení vícebarevného světla do jednobarevných komponent podle vynálezu, například dělič videokamery, obr. 3 znázorňuje schematicky konfiguraci záznamových vln pro obě mřížkové struktury třikanálového barevného děliče pro děleni vícebarevného světla do jednobarevných komponent podle vynálezu v provedeni podle obr. 2, obr. 4 znázorňuje schematicky v nárysu a obr. 5 v půdorysu tříkanálový barevný dělič pro děleni vícebarevného světla do jednobarevných komponent podle vynálezu, například dělič do barevného analyzátoru, obr. 6 až 8 znázorňují schematicky konfiguraci záznamové vlny pro jednotlivé mřížkové struktury barevného děliče'pro dělení vícebarevného světla do jednobarevných komponent podle vynálezu v provedení podle obr. 4 a 5, přičemž na obr. 6 je složka B, na obr. 7 ge složka G a na obr. 8 je složka R.

Barevný dělič pro děleni vícebarevného světla do jednobarevných komponent podle

Λ vynálezu se skládá z nosného substrátu 2 volitelného tvaru, nejčastěji skleněné rovinné desky, na kterém je nanesena vlastní aktivní dělicí vrstva 3, překrytá krycí vrstvou 4, chránící aktivní dělicí vrstvu před mechanickým poškozením a klimatickými vlivy. Tuto krycí vrstvu může například tvořit, v případě rovinného nosného substrátu 2, opět skleněná rovinná deska, která je k aktivní dělicí vrstvě 3 přitmelená. Aktivní dělicí vrstva 3 je tvořena opticky exponovanou a technologicky zpracovanou holografickou záznamovou vrstvou objemového vícenásobného holografického prvku, obsahující maximálně m-dílčích objemových mřížkových struktur, kde m je počet vydělených barevných komponent, přičemž mřížkový vektor K^(x, y, z), kdy i = 1, 2,...až m, dílčí i-té struktury v místě aktivní dělicí vrstvy x_h, y_h, z_h má lokální hodnotu = [2 & Αλ.^) {1_Q - íp, kde 1θ(χ, y, z) je jednotkový vektor ve směru dopadajícího vícebarevného světla a L (x, y, z) je jednotkový vektor ve směru vydělené i-té barevné komponenty o střední vlnové délce Λ kdy i = 1, 2,...až m.

Splněním uvedených podmínek je dopadající vícebarevný signál na dílčích mřížkových strukturách difragován do požadovaných barevných komponent a směrů, přičemž děli3

CS 272 928 Bl cí vrstvou procházející nultý difrakční řád obsahuje doplňkovou barvu k barvám vyděleným. Tuto skutečnost je možno využít použitím barevného optického filtru 5, který je umístěn ve směru průchodu dopadajícího světla 1 za aktivní dělicí vrstvou čímž může z tohoto nultého difrakčního řádu získat jednu z požadovaných barevných komponent se směrem chodu dopadajícího světla. S výhodou je možno funkci krycí vrstvy 4 spojit s funkcí optického filtru 5, takže krycí vrstvu 4 tvoří vlastní filtr, k aktivní dělicí vrstvě například přitmelený.

Aktivní dělicí vrstva 3 s funkcí vícenásobného holografického prvku^může být tvořena jedinou záznamovou vrstvou vícenásobně exponovanou nebo několika záznamovými vrstvami separátně exponovanými a nesoucími dílčí mřížkové struktury. Výslednou aktivní dělicí vrstvu 3 sestavíme z těchto elementárních vrstev do sendviče, s výhodou stmeleného.

Výroba dílčích mřížkových struktur se provádí expozicí koherentního laserového světla do záznamové vrstvy. Přitom zpravidla požadované vydělované barvy onají střední vlnové délky odlišné od možných laserových čar. Vynález předkládá způsob výroby vlnovou délkou odlišnou od vydělované. Požadovaná konstantní dílčí mřížková struktura i-té barevné komponenty s mřížkovým vektorem IC v záznamovém holografickém prostředí se vytvoří expozicí interferenčního pole dvojice koherentních rovinných vln s volitelnými vlnovými délkami a jednotkovými vektory ve směru šíření l_ia'> 1^' dávajícími mřížkovou strukturu s mřížkovým vektorem IC = (l^_b' ~ l^_a'), takže při lokální orientaci záznamové vrstvy v rovině (x, y), jsou ortogonální složky vektoru IL, rovny: K. , = K. , K,_, - K-,_r , K. = 6 .K- , a íf je technologický rozměrový faktor měníix ix xy xy ιλ· cí v důsledku zpracování (Τ’-krát rozměr vrstvy ve směru kolmém na jeho povrch.

Účelem navrhovaného řešení je dělení nebo slučování barevných složek světla za použití Braggovské difrakce na vícenásobných objemových difrakčních strukturách. Jednotlivé komponenty objemové struktury difragují selektivně pouze definovanou oblast spektra a to v geometrii, která byla zvolena při optickém záznamu difrakční struktury. Volbou parametrů struktury a jejím technologickým zpracováním je možno docílit různých spektrálních charakteristik jednotlivých barevných složek a docilovat tak potřebnou funkci prvku.

Příklad 1

Příkladem je tříkanálový dělič podle obr. 2 pro vydělení barevných složek R, G, B, resp. červené, zelené a modré z bílého signálu, a může například sloužit jako dělič do videokamery. Bílý signál dopadá na dělič kolmo, složky G a B se odrážejí od děliče ve vzduchu pod úhlem = 45° od kolmice, složka R se získá z procházejícího světla pomocí optického filtru 5· Střední vlnové délky pro požadované barvy jsou: λ~(Β) = 430 nm,

X- CG) = 550 nm, JC (R) = 620 nm, index lomu všech skel i emulze činí n = 1,5·

Dělič je tvořen sendvičem tří rovinných desek, dvou holografických optických reflexních prvků 7 a 8 pro vydělení složek B a G, stmelených optickým tmelem emulzemi k sobě, takže jeden z nosných substrátů tvoří krycí vrstvu: k nim může být dále přitmelen optický filtr 5.

Jelikož aktivní dělicí vrstva J je prostředí s indexem lomu n = 1,5a zadané směry jsou určené ve vzduchu, provedeme nejprve přepočet jednotlivých směrů ze vzduchu do materiálu. Odtud dostaneme požadavky na jednotlivé jednotkové vektory:

l₀ = [O; 0; li

1_B = [o,4714;:0; -0,8819]

1_G = [-0,4714; 0; -0,88191

Směry záznamových vln, generujících jednotlivé mřížkové vektory, v materiálu budou:

CS 272 928 B1 l_Ba. = [sin/H, O, cos /3_a>] ; 1_Ga’ O, cos y_a’J

W ⁼ L^sin/^b’> °> ^c°s/3_b’L l_Gb’ ⁼L^sinfb’> °’ ^cosTb’^

Pro záznam mřížkové struktury použijeme nejsilnější vlnové délky argonového laseru, to je pro B_vLg = 488 nm, pro G.Aq = 514,5 nm, jako záznamové prostředí dichromovanou želatin'. Jelikož záznam jednotlivých mřížkových struktur je proveden na separátních záznamových materiálech, je možné připustit odlišné technologické rozměrové faktory, a to například = 0,9 a 6_G = 1.

Na základě podmínek získáme hodnoty úhlů směrů generačních vln v materiálu.

/V	160,50°	r.=	140,97'
/3 b“	-11,61°		10,91'
což ve	vzduchu činí:
	149,96°	rv-	109,15'
/2b =	-17,57°	rb-	16,49'

Konfigurace záznamové vlny pro obě mřížkové struktury je zachycena na obr. 3· Jako filtr pro oddělení barevné složky E může sloužit vhodný filtr, nejlépe interferenční, s těžištěm 620 nm a pološířkou do 70 nm.

Příklad 2

Příkladem je tříkanálový dělič podle obr. 4 s půdorysem na obr. 5 přo vydělení a zobrazení barevných složek R, G, B, resp. červené, zelené a modré z bílého signálu, a může například sloužit jako dělič do barevného analyzátoru. Bílý signál dopadá na dělič kolmo z bodového zdroje vzdáleného 400 nm od děliče, střední paprsky složek G, B a g se odrážejí od děliče a fokuzují k obvodu v rovinách navzájem natočených o 120°, kde jsou umístěny například detektory. Střední vlnové délky pro požadované barvy jsou:

A. (B) = 450 nm, A (G) = 550 nm, A. (R) = 680 nm, index lomu všech skel i emulze činí n = 1,5. Souřadnice bodů jsou 0 (0 ; 0 ; 0), G (-12,5; -21,6; 365), R (-12,5; 21,6; 365), 365), B (25; 0; 365), S (0; 0; 400).

Dělič je tvořen stmeleným sendvičem tří holografických optických reflexních fokuzujících prvků 9, 22 ^a li ^s rovinnými substráty. Pro záznam použijeme vlnové laserové čáry Ag = 458 nm,A _G = 514,5 nm, A- _R = 647,1 nm, Jelikož požadovaná geometrie dělení v rovinách OSB, OSG, OSR podle obr. 4 je pro všechny barvy stejná, použijeme pro návrh pouze rovinu (x, z), přičemž při stmelení jednotlivých prvků provedeme u každého pootočení v rovině (x, y) vždy o 120°.

Dělič je zároveň fokuzující holografické zrcadlo, to znamená, že mřížková struktura děliče má mřížkový vektor nekonstantní. Aby nedošlo ke vzniku značných aberací při fokuzaci v důsledku-odlišnosti vlnové délky záznamové a pracovní, je třeba volit záznamové schéma podle obr. 6 s hodnotami:

B_o’[3;0;32] ; G_q> [-1 5; 0; -211 ] ; R_Q> [-10; 0; -147 J

B’ [.24,8; 0; 365,4] ; G’ [25,3; 0; 365,2] ; R’ [25,2; 0; 363,δ]

Tím jsou určeny směry záznamových vln a s ohledem na zvolené vlnové délky je třeba požadavky současného Braggovského vydělování jednotlivých barevných složek podle požadavků bodu í a 5 vynálezu splnit pomocí technologického rozměrového faktoru ; odtud spočteme:

<T_B = 0,99; <T_G = 0,95; 6^=1,01.

Barevný dělič pro dělení vícebarevného světla do jednobarevných komponent a způsob zhotovení aktivní dělicí vrstvy tohoto barevného děliče podle vynálezu jsou využitelné pro prvky pro barevné televizní snímací kamery, jako elementy slučovačů jednoη

CS 272 928 Bl barevných, signálů ve vícebarevné součásti barevných analyzátorů světla apod.

Claims (5)

1. Barevný dělič pro dělení vícebarevného světla do jednobarevných komponent, rozdělující světelný vícebarevná signál dopadající ve směru jednotkového vektoru 1θ(χ, y, z) do více požadovaných barevných komponent, šířících se ve směrech jednotkových vektorů l^(x, 7, z) a v barvách o středních vlnových délkáchkdy i = 1,2,..,až m, vyznačující se tím, že se skládá z.nosného substrátu (2) volitelného tvaru, na kterém je nanesena vlastní aktivní dělicí vrstva (3), jež je překryta krycí vrstvou (4), přičemž aktivní dělicí vrstva (3) je tvořena opticky exponovanou a technologicky zpracovanou holografickou záznamovou vrstvou objemového vícenásobného holografického optického prvku, obsahující maximálně m-dílčích objemových mřížkových struktur s mřížkovými vektory K.(x, y, z), i =Ί, 2,...,až m, jejichž lokální hodnota v místě (x^, y^, z^) aktivní dělicí vrstvy (3) je Kj_ = (2νΓ/Λ-^) (1θ - 1^).

2. Barevný dělič pro dělení vícebarevného světla do. jednobarevných komponent podle bodu 1, vyznačující se tím, že za aktivní dělicí vrstvou (3) ve směru průchodu dopadajícího světla je umístěn optický filtr (5) a jedna z požadovaných barevných komponent je tvořena za optickým filtrem (5) nultým difrakčním řádem (6).

3. Barevný dělič pro dělení vícebarevného světla do jednobarevných komponent podle bodů 1 a 2, vyznačující se tím, že aktivní dělicí vrstva (3) se skládá z jediné záznamové vrstvy, vícenásobně exponované a nesoucí všechny dílčí mřížkové struktury.

4. Barevný dělič pro dělení vícebarevného světla do jednobarevných komponent podle bodů ΐ a 2, vyznačující se tím, že aktivní dělicí vrstva (3) se skládá z více záznamových vrstev separátně exponovaných a nesoucích dílčí mřížkové struktury, přičemž výsledná aktivní dělicí vrstva je z těchto elementárních vrstev sestavena do sendviče, s výhodou stmeleného.

5. Způsob zhotovení barevného děliče s aktivní dělicí vrstvou pro dělení vícebarevného světla do jednobarevných komponent, podle bodů 1 až 4, vyznačující se tím, že požadovaná konstantní dílčí mřížková struktura i-té barevné komponenty s mřížkovým vektorem v záznamovém holografickém prostředí se vytvoří expozicí interferenčního pole dvojice koherentních rovinných vln. s volitelnými vlnovými délkami λ a jednotkovými vektory ve směru šíření 1^ ’, l_ib’,dávájíčími mřížkovou strukturu s mřížkovým vektorem IC’ = = (2 JZT /Χβ) &£b’ ~ ^ia*) ^ΐε&’ ž^e P^ lokální orientaci záznamové vrstvy v rovině (x, y) ortogonální složky vektoru K^’ jsou rovny: K_ix’ = Κ^_χ, Kj ’ = K_iy, Κ^_ζ’ = = (θ\κ. , a Gje technologický rozměrový faktor, .měnící v, důsledku zpracování (5^-krát rozměr vrstvy ve směru kolmém na jeho povrch.