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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein optisches System mit einer Quelle,
die zumindest einen leuchtenden Punkt aufweist, der ein Lichtstrahlenbündel mit
einem ersten Öffnungswinkel
abgibt, und einer der Quelle nachgeordneten Optik zum Abbilden des
Punktes in eine Bildebene.
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Häufig will
man mit der nachgeschalteten Optik möglichst viel vom Lichtstrahlenbündel nutzen.
Dies kann man dadurch erreichen, daß man die Optik hochaperturig
auslegt, wie dies z. B. bei Beleuchtungssystemen durchgeführt wird.
Es gibt jedoch auch Fälle,
bei denen die Optik nur eine geringe Apertur (Raumwinkel) nutzen
kann. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn die Funktion der
Optik auf der Anwendung von diffraktiven Elementen beruht. In einem
solchen Fall würde
von einem hochaperturig eingekoppelten Lichtstrahlenbündel nur
ein geringer Teil genutzt. Der größere Teil (alle großen Raumwinkel)
würden
die Optik mit Falschlicht bzw. Streulicht füllen, was die gewünschte Funktion
der Optik nachteilig beeinträchtigen
oder sogar ganz in Frage stellen kann.
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Man
wird daher die Apertur des Lichtstrahlenbündels an die nachgeschaltete
Optik anpassen. Eine Reduzierung der Apertur wird herkömmlicherweise
in optischen Systemen durch mechanische Blenden bewirkt. Dies wird
beispielsweise dadurch realisiert, daß man eine Blende in eine Pupillenebene
des Strahlenganges setzt. Dazu kann man z. B. das Lichtstrahlenbündel mit
einer Linse aufnehmen und kollimieren, so daß in einfacher Brennweite der
Linse alle Lichtstrahlenbündel
den gleichen Querschnitt aufweisen. In dieser sogenannten Pupillenebene
läßt sich
der Querschnitt aller Bündel
durch eine Blende mit entsprechendem freien Durchmesser reduzieren.
Eine zweite Linse, die der Pupillenebene nachgeordnet ist, erzeugt
dann aus diesen kollimierten Bündeln
mit reduziertem Querschnitt ein Zwischenbild, das jetzt mit entsprechend
reduzierter Apertur in die nachgeordnete Optik eingekoppelt werden
kann.
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Diese
Art der Aperturreduzierung ist jedoch mit relativ hohem Aufwand
und großem
Platzbedarf verbunden.
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Ausgehend
hiervon ist es Aufgabe der Erfindung ein optisches System bereitzustellen,
bei dem die Aperturreduzierung mit geringem Aufwand und Platzbedarf
erzielt werden kann.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe gelöst
durch ein optisches System mit einer Quelle, die zumindest einen
leuchtenden Punkt aufweist, der ein Lichtstrahlenbündel mit
einem ersten Öffnungswinkel
abgibt, und einer der Quelle nachgeordneten Optik zum Abbilden des
Punktes in eine Bildebene, wobei die Optik für einen zweiten Öffnungswinkel,
der kleiner ist als der erste Öffnungswinkel,
ausgelegt ist und eine mehrlagige Filterschicht aufweist, auf die
das Lichtstrahlenbündel
trifft und die von diesem nur den Teil in der Optik für die Abbildung
weiterleitet, der einem Öffnungswinkel
entspricht, der kleiner ist als der erste Öffnungswinkel.
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Die
mehrlagige Filterschicht wirkt somit als winkelselektiver Kurzpaßfilter
(nur Strahlen mit einem Einfallswinkel, der kleiner oder gleich
einem durch die Filterschicht vorgegebenen Maximalwinkel ist, werden
weitergeleitet), mit dem mit äußerst geringem
Platzbedarf und geringem Aufwand die gewünschte Aperturreduzierung des
Lichtstrahlenbündels
erreicht werden kann. Es wird somit bei der mehrlagigen Filterschicht,
die auch als dielektrisches Dünnschichtsystem
bezeichnet werden kann, in konstruktiver Art und Weise die Winkelabhängigkeit
der Transmission und somit auch der Reflexion dazu genutzt, die
gewünschte
Aperturreduzierung zu erzielen.
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Insbesondere
kann die Filterschicht den Weitergeleiten Teil des Lichtstrahlenbündels transmittieren und
den nicht weitergeleiteten Teil des Lichtstrahlenbündels reflektieren.
Natürlich
ist auch eine umgekehrte Lösung
möglich,
bei der weitergeleitete Teil der reflektierte Teil ist und der nicht
weitergeleitete Teil der transmittierte Teil ist.
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Die
Filterschicht kann auf einer planen oder auch einer gekrümmten Grenzfläche eines
Optikelements der Optik ausgebildet sein. Insbesondere kann die
Filterschicht auf dem der Quelle am nähesten liegenden Optikelement
ausgebildet sein. Besonders bevorzugt wird die Grenzfläche dieses
Optikelementes, auf die das Lichtstrahlenbündel zuerst trifft, mit der
Filterschicht versehen.
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Die
Filterschicht ist insbesondere als dielektrisches Filterschichtsystem
ausgebildet, das mehrere aufeinander gestapelte Schichten aufweist,
die abwechselnd aus zwei unterschiedlichen Materialien gebildet
sind. Die beiden Materialien unterschieden sich insbesondere in
ihrer Brechzahlen, so daß eines
der Materialien als hochbrechend (hohe Brechzahl) und das andere
der beiden Materialien als niedrigbrechend (niedrige Brechzahl)
bezeichnet werden kann. Bei einem solchen Schichtsystem können die
Anzahl der Schichten sowie die Schichtdicken rechnerisch leicht
so optimiert werden, daß der Übergang
zwischen einer sehr hohen Transmission und einer sehr geringen Transmission
so gelegt ist, daß die
gewünschte
Aperturreduzierung erreicht werden kann.
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Die
optische Dicke der Schichten ist insbesondere so gewählt, daß sie kleiner
ist als die Wellenlänge des
Lichtstrahlenbündels.
Die optische Schichtdicke kann auch kleiner als die halbe Wellenlänge sein.
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Insbesondere
kann die Filterschicht so ausgelegt sein, daß von jedem auf sie treffenden
Lichtstrahlenbündel
nur der Teil in der Optik für
die Abbildung weitergeleitet wird, der einem Öffnungswinkel entspricht, der kleiner
oder gleich als der zweite Öffnungswinkel
ist.
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Die
Quelle kann eine selbstleuchtende Quelle sein. So kann das optische
System als Beleuchtung dienen. Es ist jedoch auch möglich, daß die Quelle
eine Vielzahl von (Bild) Punkten aufweist. Insbesondere können die
Bildpunkte voneinander unabhängig
angesteuert werden. So kann beispielsweise bei einer Anordnung der
Bildpunkte in Zeilen und Spalten oder bei jeder anderen Art der
flächigen
Anordnung der Bildpunkte ein Bild erzeugt werden, das mittels der
Optik in die Bildebene abgebildet wird.
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Die
Quelle kann einfarbig bzw. monochromatisch sein. Bei mehreren Bildpunkten
sind die Wellenlängen
aller Lichtstrahlenbündel
bevorzugt gleich.
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Die
Quelle kann insbesondere als LCD- oder auch LCoS-Modul ausgebildet
sein. Es ist jedoch auch möglich,
für jeden
Punkt eine LED vorzusehen.
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Insbesondere
kann das optische System als Anzeigevorrichtung ausgebildet sein,
bei der die Quelle und die Optik an einer auf den Kopf eines Benutzers
aufsetzbaren Haltevorrichtung befestigt sind, wobei der Benutzer
im aufgesetzten Zustand der Haltevorrichtung das in der Bildebene
abgebildete Bild wahrnehmen kann. Das Bild in der Bildebene kann
ein reales oder auch ein virtuelles Bild sein. Die Haltevorrichtung
kann in Art eines Brillengestells ausgebildet sein. Es ist jedoch
auch jede andere Art von Haltevorrichtung möglich, wie z. B. eine Helm.
Die Anzeigevorrichtung kann insbesondere als HMD-Vorrichtung (head
mounted display Vorrichtung) ausgebildet sein.
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Das
optische System kann ferner als Beleuchtungssystem ausgebildet sein.
In diesem Fall kann die Quelle genau einen leuchtenden Punkt enthalten.
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Es
ist jedoch auch möglich,
das optische System als Fernrohr (insbesondere als Zielfernrohr)
oder als Teil desselben auszubilden. Die Quelle kann dann insbesondere
eine LED-Zeile sein, mit der ein in der Höhe variierender Leuchtpunkt
im Fernrohr dargestellt werden kann.
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Es
versteht sich, daß die
vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden
Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch
in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind,
ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Nachfolgend
wird die Erfindung beispielsweise anhand der beigefügten Zeichnungen,
die auch erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
schematische Seitenansicht einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen
Systems;
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2 eine
vergrößerte perspektivische
Darstellung des Multifunktionsglases 4 von 1;
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3 eine
vergrößerte schematische
Darstellung des Multifunktionsglases 4 zur Erläuterung
der gewünschten
Aperturreduzierung;
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4 eine
schematisch Darstellung in gleicher Weise wie in 3,
in der die Filterschicht 13 eingezeichnet ist;
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5 eine
vergrößerte schematische
Darstellung des Details C von 4;
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6 die
Winkelabhängigkeit
der Transmission der Filterschicht 13;
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7 eine
Draufsicht einer weiteren Ausführungsform
des erfindungsgemäßen optischen
Systems und
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8 eine
Seitenansicht des optischen Systems von 7.
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Bei
der in 1 gezeigten Ausführungsform ist das erfindungsgemäße optische
System 1 als Anzeigevorrichtung ausgebildet, die eine auf
den Kopf eines Benutzers aufsetzbare Haltevorrichtung 2 in
Form eines Brillengestells umfaßt,
von dem in 1 schematisch lediglich ein
Seitenbügel 3 dargestellt
ist.
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Das
optische System 1 umfaßt
ferner ein an der Haltevorrichtung 2 befestigtes Multifunktionsglas 4, das
auf seiner Rückseite 5 eine
mehrlagige Filterschicht 13 und darauf einen selbstleuchtenden
Bildgeber 6 aufweist. Mit dem Bildgeber 6 wird
ein Bild erzeugt, das in dem Multifunktionsglas 4 bis zu
einem an der Vorderseite 7 des Multifunktionsglases 4 ausgebildeten Überlagerungsbereiches 8 so
zu dem Auge A des Benutzers umgelenkt wird, daß der Benutzer das erzeugte
Bild des Bildgebers 6 in Überlagerung mit der Umgebung wahrnehmen
kann. Der Strahlverlauf im Multifunktionsglas 4 ist schematisch
eingezeichnet. Mittels des Funktionsglases 4 wird somit
das Bild des Bildgebers 6 in das Sichtfeld des Benutzers
eingespiegelt.
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In 2,
in der lediglich der Bildgeber 6 sowie das Multifunktionsglas 4 dargestellt
sind, ist der Strahlenverlauf für
fünf vom
Bildgeber 6 abgegebenen Lichtstrahlenbündel L schematisch dargestellt.
Wie dem Strahlenverlauf entnommen werden kann, werden die Lichtstrahlen
L nach der Einkopplung in das Multifunktionsglas 4 zunächst am
oberen Rand 9 im Bereich 10 reflektiert und dann
bis zum unteren Rand 11 mittels innerer Totalreflexion
an Vorder- und Rückseite 7, 5 geführt. Am
unteren Rand 11 findet im Bereich 12 eine Reflexion
und somit eine Umlenkung in Richtung bis zum Überlagerungsbereich 8 statt,
wobei die Lichtstrahlen 2 wiederum mittels innerer Totalreflexion
an Vorder- und Rückseite 7, 5 vom
Bereich 12 bis zu dem Überlagerungsbereich 8 geführt werden.
Im Überlagerungsbereich
werden die Lichtstrahlenbündel
L mit dem Licht der Umgebung US so überlagert, daß ein gemeinsames
Strahlenbündel
GS erzeugt wird. Der Benutzer kann dann, wenn er sein Auge A am
Ort P positioniert, das Bild des Bildgebers 6 in Überlagerung
mit der Umgebung wahrnehmen kann.
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Das
Multifunktionsglas 4 ist so ausgelegt, daß der Öffnungswinkel
jedes Lichtstrahlenbündels
L jedes Bildpunktes des Bildgebers 6 maximal ca. 30° betragen
darf, damit der Öffnungswinkel
des Lichtstrahlenbündels
L im Multifunktionsglas 4 maximal ca. 20° beträgt, da das
Multifunktionsglas 4 für
einen solchen maximalen Öffnungswinkel
ausgelegt ist. In 3 ist für einen Bildpunkt B ein Lichtstrahlenbündel L mit
einem solchen Öffnungswinkel
eingezeichnet, wobei das Multifunktionsglas 4 hier lediglich
schematisch als Block dargestellt ist.
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Tatsächlich beträgt jedoch
der Öffnungswinkel
des von jedem Bildpunkt B abgegebenen Lichtstrahlenbündels L
ca. 160°.
Ein Lichtstrahlenbündel
L' mit einem solchen Öffnungswinkel
von 160° ist
in 3 gestrichelt eingezeichnet. Wie 3 entnommen
werden kann, beträgt
der Öffnungswinkel
im Multifunktionsglas für das
Lichtstrahlenbündel
L' ca. 80°. Die Lichtstrahlen
des Lichtstrahlenbündels
L', die einen größeren Öffnungswinkel
haben als die Lichtstrahlen des Lichtstrahlenbündels L sind als Falschlicht
unerwünscht,
da sie im Multifunktionsglas 4 nicht auf den Überlagerungsbereich 8 treffen
und somit lediglich störend
wahrgenommen werden.
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Daher
ist bei dem erfindungsgemäßen optischen
System 1 zwischen dem Bildgeber 6 und dem Multifunktionsglas 4 die
mehrlagige Filterschicht 13 ausgebildet, die so ausgelegt
ist, daß Lichtstrahlen
des Lichtstrahlenbündels
L, die mit einem Einfallswinkel von bis zu 30° auf die Filterschicht 13 treffen,
transmittiert werden, und daß Lichtstrahlen
des Lichtstrahlenbündels
L mit größerem Einfallswinkel
reflektiert werden, wie schematisch in 4 dargestellt
ist. Dadurch wird erreicht, daß nur
die Lichtstrahlen der Lichtstrahlenbündel mit dem Öffnungswinkel
in das Multifunktionsglas 4 eingekoppelt werden, für das das
Multifunktionsglas 4 ausgelegt ist. Unerwünschtes
Falschlicht wird somit bereits vor der Einkopplung in das Multifunktionsglas 4 unterdrückt, so
daß verbesserte
Abbildungseigenschaften erreicht werden.
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In
dem hier beschriebenen Beispiel weist die Filterschicht
13 fünfzig übereinanderliegende
Schichten
14,
15 auf, wie schematisch in
5 gezeigt
ist. Die Schichten
14,
15 sind jeweils abwechselnd
aus einem niedrigbrechenden Material (hier SiO
2)
und einem hochbrechenden Material (hier TiO
2)
hergestellt. Die Schichtdicken der einzelnen Schichten sind der
nachfolgenden Tabelle 1 zu entnehmen, wobei für das niedrigbrechende Material
N und für
das hochbrechende Material H als Typ angegeben ist und die Schicht
Nr. 1 die Schicht
15 ganz rechts in
5 ist. Tabelle 1
| Schicht | Dicke
[nm] | Typ | Schicht | Dicke
[nm] | Typ |
| 1 | 95,74 | H | 26 | 114,24 | N |
| 2 | 121,45 | N | 27 | 95,17 | H |
| 3 | 90,15 | H | 28 | 110,76 | N |
| 4 | 156,21 | N | 29 | 95,23 | H |
| 5 | 81,91 | H | 30 | 114,00 | N |
| 6 | 133,22 | N | 31 | 92,24 | H |
| 7 | 81,57 | H | 32 | 107,11 | N |
| 8 | 117,38 | N | 33 | 95,12 | H |
| 9 | 84,85 | H | 34 | 112,48 | N |
| 10 | 111,43 | N | 35 | 89,37 | H |
| 11 | 103,13 | H | 36 | 104,59 | N |
| 12 | 108,09 | N | 37 | 106,77 | H |
| 13 | 96,01 | H | 38 | 103,26 | N |
| 14 | 114,42 | N | 39 | 94,56 | H |
| 15 | 96,08 | H | 40 | 117,28 | N |
| 16 | 106,76 | N | 41 | 89,56 | H |
| 17 | 97,22 | N | 42 | 128,69 | N |
| 18 | 100,86 | N | 43 | 83,02 | H |
| 19 | 92,10 | H | 44 | 119,95 | N |
| 20 | 108,76 | N | 45 | 88,39 | H |
| 21 | 97,61 | H | 46 | 111,30 | N |
| 22 | 114,75 | N | 47 | 100,80 | H |
| 23 | 93,98 | H | 48 | 147,14 | N |
| 24 | 110,00 | N | 49 | 87,08 | H |
| 25 | 92,03 | H | 50 | 237,67 | N |
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Mit
so einem Schichtaufbau läßt sich
für eine
Wellenlänge λ von 650
nm, die die Lichtstrahlenbündel L
hier aufweisen, die folgende Transmissionskurve (6)
erzielen. Wie dieser Transmissionskurve zu entnehmen ist, in der
die Transmission T in Abhängigkeit
des Einfallswinkels aufgetragen ist, fällt bei einem Einfallswinkel
von etwa 30° die
Transmission sehr stark ab, so daß im wesentlichen nur Strahlen
mit einem Einfallswinkel von bis zu 30° transmittiert werden und Strahlen
mit größerem Einfallswinkel
reflektiert werden. Eine Transmission T von 1 entspricht einer vollständigen Transmission
des Lichtstrahlenbündels
L, wohingegen eine Transmission T von 0 einer vollständigen Reflexion
entspricht. Die mehrlagige Filterschicht 13 kann somit auch
als winkelselektiver Kurzpaßfilter
bezeichnet werden, mit dem die gewünschte Aperturreduzierung der Lichtstrahlenbündel L bewirkt
wird.
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Wenn
die zum Auge gelangenden Lichtstrahlenbündel L nicht exakt telezentrisch
am Bildgeber 6 starten, sondern mit unterschiedlichen Neigungen
zur Flächennormalen
des Bildgebers 6, wird die Filterschicht 13 bevorzugt
so ausgelegt, daß die
geneigten Lichtstrahlenbündel
auch die Filterschicht 13 passieren können. Dies wird dadurch erreicht,
daß z.
B. Strahlen mit einem Einfallswinkel von bis zu 35° transmittiert
werden. In diesem Fall kann das Falschlicht nicht zu 100% vermieden
werden, jedoch aber zu einem sehr großen Anteil.
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Nachfolgend
wird eine weitere Ausführungsform
des erfindungsgemäßen optischen
Systems 1 beschrieben, wobei in diesem Fall das optische
System 1 als Teil eines Zielfernrohres ausgebildet ist. 7 zeigt in
Draufsicht den okularseitigen Strahlengang des Zielfernrohrs vom
Zwischenbild 20 bis zur Pupille 21, wobei dazwischen
ein schematisch dargestelltes Okular 22 angeordnet ist.
Ferner ist zwischen dem Okular 22 und dem Zwischenbild 20 eine
Planplatte 23 angeordnet, die zur Einkopplung eines ballistischen
Punktes in den Beobachtungsstrahlengang dient. Dazu wird das Lichtstrahlenbündel L eines
Punktes B einer LED-Zeile 24 auf die Planplatte 23 gerichtet
und von einem auf seiner Rückseite 25 ausgebildeten
ersten diffraktiven Element 26 so umgelenkt, daß es, in 7 gesehen,
aufgrund innerer Totalreflexionen an der Rückseite 25 und der
Vorderseite 27 der Platte 23 bis zu einem zweiten
diffraktiven Element 28 geführt wird, das die Auskopplung
in Richtung zum Okular 22 bewirkt. Zur Vereinfachung der Darstellung
ist für
den Strahlenverlauf des Lichtstrahlenbündels L ab der Platte 23 nur
noch der Schwerpunktstrahl eingezeichnet.
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Um
einen in der Höhe
variablen Leuchtpunkt zu erzeugen, wird die LED-Zeile 24 eingesetzt,
die mehrere übereinanderangeordnete
Bildpunkte B aufweist, wie in der Seitenansicht in 8 angedeutet
ist, die jeweils unabhängig
voneinander ansteuerbar sind. Aufgrund der linearen Ausdehnung der
LED-Zeile 24 kann die in die Planplatte 23 eingekoppelte
Apertur nur quer zur Längsausdehnung
der LED-Zeile 24 durch eine Aperturblende 29 auf
den gewünschten
Wert begrenzt werden.
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Nachdem
eine unzureichende Aperturbegrenzung in Längsrichtung der LED-Zeile 24 zu
einer unerwünschten
Aufweitung des Lichtstrahlenbündels
und somit zur Gefahr der Erzeugung von Streulicht führt, ist auf
der Vorderseite 27 der Planplatte 23 eine mehrlagige
Filterschicht 30 ausgebildet, mit der die gewünschte Aperturbegrenzung
in Längsrichtung
der LED-Zeile 24 durchgeführt wird. Die Filterschicht 30 ist
in gleicher Weise wie die Filterschicht 13 aus einer Vielzahl
von übereinander
gestapelten Schichten mit alternierendem Brechungsindex ausgebildet.
Die Schichtdicken sind so gewählt,
daß nur
der gewünschte
Winkelbereich transmittiert und der nicht gewünschte Winkelbereich des Lichtstrahlenbündels 2 reflektiert
wird.
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Natürlich ist
es möglich,
auf die Aperturblende 29 zu verzichten. In diesem Fall
wird die gesamte Aperturbegrenzung mittels der Filterschicht 30 bewirkt.