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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen Bildaufnehmer (auch Bildsensor genannt) für die digitale Aufnahme eines zweidimensionalen Farbbildes, eine Bilderzeugungseinrichtung für die Wiedergabe eines zweidimensionalen Farbbildes sowie ein Spektroskop für die zweidimensional ortsaufgelöste Spektroskopie.
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2. Beschreibung des Standes der Technik
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Bildaufnehmer für die digitale Aufnahme eines zweidimensionalen Farbbildes, wie sie häufig in Photo- oder Videokameras eingesetzt werden, weisen meist eine matrixartige Anordnung lichtempfindlicher Sensorpixel auf. Die Sensorpixel sind mit einem Farbfilter versehen, die nur für Licht eines Spektralanteils, z. B. rotes, grünes oder blaues Licht, durchlässig sind. Enthält auftreffendes Licht beispielsweise einen grünen Spektralanteil und trifft dieses Licht auf einen Sensorpixel auf, dessen Farbfilter für grünes Licht durchlässig ist, so erzeugt der Sensorpixel ein elektrisches Ausgangssignal, das von der Intensität des grünen Spektralanteils abhängt. Eine Auswerteelektronik des Bildaufnehmers ermittelt aus den Ausgangssignalen aller mit Farbfiltern versehenen Sensorpixel die Farbinformationen des aufzunehmenden Bildes.
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Nachteilig bei diesem bekannten Typ von Bildaufnehmern ist allerdings, dass durch die Farbfilter ein Großteil des auf die Sensorpixel auftreffenden Lichts absorbiert wird. Daher haben derartige Bildaufnehmer eine relativ geringe Lichtempfindlichkeit.
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Eine höhere Lichtempfindlichkeit haben Bildaufnehmer, bei denen nicht alle, sondern nur ein Teil der Sensorpixel mit Farbfiltern versehen ist. Die übrigen Sensorpixel erfassen die Intensität des auftreffenden Lichts farbunabhängig, d. h. für alle Wellenlängen innerhalb des sichtbaren Spektrums. Der Zugewinn an Lichtempfindlichkeit wird aber bei dieser Variante mit einem Verlust an Farbinformation erkauft.
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Eine weitgehend vollständige Nutzung des auftreffenden Lichts ist bei Bildaufnehmern möglich, bei denen das auftreffende Licht unter Verwendung eines dichroitischen Prismas oder eines anderen Farbteilers auf mehrere (in der Regel drei) Bildaufnehmer verteilt wird, welche die Intensität des auf sie auftreffenden Lichts wellenlängenunabhängig erfassen. Derartige Bildaufnehmer benötigen jedoch deutlich mehr Bauraum, erfordern einen hohen Justageaufwand und sind deswegen relativ teuer.
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Aus der
EP 0 383 308 A2 ist ein Bildaufnehmer für den Einsatz in Scannern gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt, bei dem Farbteiler-Elemente, die entlang einer einzigen Zeile angeordnet und als diffraktive optische Elemente ausgebildet sind, das auftreffende polychromatische Licht auf drei Zeilen von Sensorpixeln aufteilen. Die Farbteiler-Elemente sind hierbei in der Nähe einer Bildebene einer Abbildungsoptik angeordnet, in der ein Bild des ausgeleuchteten Scanner-Schlitzes entsteht. Die Aufteilung auf die den Farbteiler-Elementen zugeordneten Sensorpixel erfolgt dabei entlang der Scanrichtung. Da keine absorbierenden Farbfilter eingesetzt werden, ist dieser bekannte Scanner sehr lichtempfindlich.
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Um mit diesem bekannten Scanner ein zweidimensionales Farbbild aufnehmen zu können, muss dieses zeilenweise abgescannt werden. Damit wird von der insgesamt zur Verfügung stehenden Lichtmenge jedoch stets nur ein kleiner Bruchteil zu einem gegebenen Zeitpunkt ausgenutzt, wodurch letztlich sogar noch mehr Licht verloren geht als bei den eingangs beschriebenen Bildaufnehmer mit Farbfiltern.
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Ähnliche Scanner mit Farbteiler-Elementen, die als diffraktive optische Elemente ausgebildet sind, sind aus der
US 5,233,703 und der
US 5,481,381 bekannt.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen besonders lichtempfindlichen Bildaufnehmer für die digitale Aufnahme eines zweidimensionalen Farbbildes bereitzustellen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Bildaufnehmer gelöst, der mehrere lichtempfindliche Sensorpixel und mehrere nebeneinander angeordnete Farbteiler-Elemente aufweist. Jedem Farbteiler-Element sind dabei mindest zwei Sensorpixel zugeordnet. Ferner ist jedes Farbteiler-Element derart ausgebildet, dass darauf auftreffendes polychromatisches Licht auf die ihm zugeordneten Sensorpixel mit einem Aufteilungsverhältnis verteilt, das von der spektralen Zusammensetzung des auftreffenden Lichts abhängt. Erfindungsgemäß sind die Farbteiler-Elemente in einem zweidimensionalen Muster angeordnet.
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Die Erfinder haben erkannt, dass man einen sehr lichtempfindlichen Bildaufnehmer realisieren kann, wenn eine Vielzahl kleiner Farbteiler-Elemente in einem zweidimensionalen Muster in oder in unmittelbarer Nähe einer Aufnahmeebene angeordnet ist, in der das zweidimensionale Farbbild aufzunehmen ist. Jedes Farbteiler-Element zerlegt das auftreffende Licht spektral und verteilt die Spektralanteile auf die ihm zugeordneten Sensorpixel. Da die spektrale Zerlegung des auftreffenden farbigen Lichts mit Hilfe diffraktiver oder refraktiver optischer Elemente weitgehend verlustfrei erfolgt, geht praktisch kein Licht bei der Bestimmung der Farbinformationen verloren. Daher hat der erfindungsgemäße Bildaufnehmer eine sehr hohe Lichtempfindlichkeit.
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Dort, wo üblicherweise mit Farbfiltern versehene Sensorpixel angeordnet sind, befinden sich erfindungsgemäß Farbteiler-Elemente, die das auftreffende Licht spektral zerlegen und auf die Sensorpixel richten. Da die Farbteiler-Elemente nicht als einzelne Zeile, sondern in einem zweidimensionalen Muster angeordnet sind, muss das Farbbild nicht gescannt werden, so dass der Bildaufnehmer beispielsweise auch für Videokameras geeignet ist.
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Unter einem zweidimensionalen Muster wird hierbei verstanden, dass jedem Farbteiler-Element, dem mindestens zwei Sensorpixel zugeordnet sind, mindestens ein Farbteiler-Element in einer ersten Richtung und ein Farbteiler-Element in einer zweiten hierzu orthogonalen Richtung benachbart sind. Das Muster wird dabei im Allgemeinen regelmäßig sein und kann insbesondere Zeilen und Spalten aufweisen. Es kommen jedoch auch unregelmäßige oder über seine Fläche hinweg variierende Muster in Betracht. Das gesamte Muster aus Farbeilter-Elementen bedeckt dabei vorzugsweise eine Fläche, dessen Seitenverhältnis kleiner ist als 5:1.
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Wie bereits erwähnt, sind die Farbteiler-Elemente vorzugsweise in einer Aufnahmeebene angeordnet, in der das Farbbild aufzunehmen ist und die mit einer Bildebene einer vorausgehenden Abbildungsoptik zusammenfallen kann. In Betracht kommt jedoch auch, die Farbteiler-Elemente leicht zum Objekt hin axial versetzt zu einer solchen Aufnahmeebene anzuordnen, um dann – jedoch auf Kosten einer geringeren Bildschärfe – auszunutzen, dass die von den Farbteiler-Elementen ausgehenden Lichtbündel konvergieren und somit leichter auf die Sensorpixel gerichtet werden können.
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Im Allgemeinen werden die Farbteiler-Elemente derart ausgebildet sein, dass sie unterschiedliche Spektralanteile des auftreffenden polychromatischen Lichts in unterschiedliche Richtungen ablenken, wie dies beispielsweise bei diffraktiven optischen Elementen oder Prismen der Fall ist. Grundsätzlich kommt jedoch auch in Betracht, dass die Farbteiler-Elemente eine Aufteilung der unterschiedlichen Spektralanteile in anderer Weise vornehmen. So könnte etwa die Wellenlängenabhängigkeit bestimmter doppelbrechender Elemente dazu genutzt werden, die Farbinformation im Polarisationszustand zu kodieren. An anderer, gegebenenfalls auch weiter entfernter Stelle könnte das Licht mit Hilfe polarisationsselektiver optischer Elemente auf die zugeordneten Sensorpixel verteilt werden.
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Besonders geeignet als Farbteiler-Elemente sind diffraktive optische Elemente. Vorzugsweise wird hierbei die nullte Beugungsordnung unterdrückt und nur die erste Beugungsordnung genutzt. Hierzu können die diffraktiven optischen Elemente geblazete Beugungsstrukturen aufweisen.
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Bei in Transmission verwendeten diffraktiven optischen Elementen wird die erste Beugungsordnung stets schräg abgestrahlt. Um diesen Offset des Ablenkungswinkels auszugleichen, können die beugenden Strukturen von einem keilförmigen Prisma getragen sein, so dass Licht einer bestimmten Wellenlänge das Farbteiler-Element ohne Ablenkung durchtreten kann.
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Anstelle von diffraktiven optischen Elementen können auch refraktive optische Elemente, und zwar insbesondere Prismen oder Anordnungen mehrerer Prismen, als Farbteiler-Elemente verwendet werden. Besonders bevorzugt ist dabei die Verwendung eines Geradsichtprismas, da auch dieses die Eigenschaft hat, dass Licht einer bestimmten Wellenlänge das Geradsichtprisma ohne Ablenkung durchtreten kann.
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Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist jedem Farbteiler-Element ein optisches Sammelelement mit Sammelwirkung zugeordnet, das derart zwischen dem Farbteiler-Element und den Sensorpixeln angeordnet ist, dass es allen Lichtstrahlen ausgesetzt ist, die von dem betreffenden Farbteiler-Element auf die diesem Farbteiler-Element zugeordneten Sensorpixel gerichtet werden. Ein solches optisches Sammelelement, bei dem es sich z. B. um eine Linse oder ein achromatisiertes diffraktives optisches Element handeln kann, kann dazu verwendet werden, das auftreffende Licht zu bündeln und so auf die Sensorpixel zu richten, dass Licht einer Wellenlänge nur auf höchstens einen Sensorpixel fällt. Diese Wirkung lässt sich auch dann erreichen, wenn die Farbteiler-Elemente selbst eine Sammelwirkung haben.
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Eine Gewinnung von Farbinformationen ist jedoch auch dann möglich, wenn die Farbteilerelemente so ausgebildet und relativ zu den Sensorpixeln angeordnet sind, dass Licht einer Wellenlänge auf mindestens zwei dem gleichen Farbteiler-Element zugeordnete Sensorpixel fällt. Wenn das Aufteilungsverhältnis für die betreffende Wellenlänge zwischen den mindestens zwei Sensorpixeln bekannt ist, so lassen sich auch bei Auftreffen polychromatischen Lichts dessen Spektralanteile ermitteln. Gegebenenfalls vorhandene Mehrdeutigkeiten können durch Berücksichtigung der Ausgangssignale aufgelöst werden, die von Sensorpixeln erzeugt werden, die einem benachbarten Farbteiler-Element zugeordnet sind. Lässt man zu, dass das Licht einer Wellenlänge auf mehrere Sensorpixel gleichzeitig fällt, so besteht auch weniger Notwendigkeit, zusätzliche optische Elemente mit Sammelwirkung vorzusehen, die das abgelenkte Licht bündeln und auf einzelne Sensorpixel richten.
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Weitere Vereinfachungen sind möglich, wenn mindestens ein, aber nicht alle einem Farbteiler-Element zugeordnete Pixel zusätzlich auch einem benachbarten Farbteiler-Element zugeordnet sind. In diesem Falle teilen sich gewissermaßen benachbarte Farbteiler-Elemente Sensorpixel, so dass deren Anzahl erheblich verringert werden kann. Zwar geht damit unvermeidlich auch ein Verlust an Auflösung einher, jedoch kann dieser mit Hilfe an sich bekannter Interpolationsalgorithmen, wie sie etwa für das häufig eingesetzte Bayer-Muster entwickelt wurden, teilweise kompensiert werden.
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Wenn benachbarten Farbteiler-Elementen mindestens ein Sensorpixel gemeinsam zugeordnet ist, so muss es mindestens eine Wellenlänge geben, bei der die Farbteiler-Elemente aus der gleichen Richtung auftreffendes Licht dieser mindestens einen Wellenlänge in eine Richtung ablenken, die für die beiden Farbteiler-Elemente verschieden ist. Im Allgemeinen wird dies dazu führen, dass benachbarte Farbteiler-Elemente paarweise verschieden sind. Bevorzugt ist es in diesem Zusammenhang, wenn die verschiedenen Richtungen spiegelsymmetrisch bezüglich einer Symmetrieebene sind, die zwischen den beiden Farbteiler-Elementen verläuft.
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Handelt es sich bei den benachbarten Farbteiler-Elementen um diffraktive optische Elemente mit beugenden Strukturen, die von keilförmigen Prismen getragen werden, so haben in diesem Fall bei benachbarten Farbteiler-Elementen, denen mindestens ein Sensorpixel gemeinsam zugeordnet ist, die keilförmigen Prismen alternierende Keilwinkel.
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Bei einem anderen Ausführungsbeispiel sind jedem Farbteiler-Element ein erster, ein zweiter und ein dritter Sensorpixel zugeordnet. Der erste Sensorpixel ist dabei zusätzlich auch einem zu einer Seite benachbarten Farbteiler-Element zugeordnet, und der zweite Sensorpixel ist zusätzlich auch einem zu einer anderen Seite benachbarten Farbteiler-Element zugeordnet. In diesem Fall ist es günstig, wenn das Licht, das auf den dritten Sensorpixel fällt, Wellenlängen hat, die im Mittel zwischen den Wellenlängen des Lichts liegen, das auf den ersten und den zweiten Sensorpixel fällt. Im Allgemeinen wird es sich dabei um Licht im grünen Spektralbereich handeln.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist jedem Sensorpixel ein optisches Element mit sammelnder oder zerstreuender Wirkung zugeordnet, das derart zwischen dem Farbteiler-Element und den Sensorpixeln angeordnet ist, dass es nur den Lichtstrahlen ausgesetzt ist, die von dem betreffenden Farbteiler-Element auf einen einzelnen zugeordneten Sensorpixel gerichtet werden. Das optische Element mit sammelnder oder zerstreuender Wirkung hat dabei die Aufgabe, das auf die Sensorpixel auftreffende Licht individuell zu bündeln oder zu zerstreuen und auf diese Weise eine Anpassung an die Größe der lichtempfindlichen Fläche des Sensorpixels und der numerischen Apertur zu erzielen, bei der eine maximale Empfindlichkeit erzielt wird. Insbesondere kann dadurch erreicht werden, dass kein oder weniger Licht in Zwischenräume zwischen den Sensorpixeln fällt.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist zwischen jedem Farbteiler-Element und den Sensorpixeln ein dem Farbteiler-Element zugeordnetes refraktives Strahlverlagerungselement angeordnet, welches das Aufteilungsverhältnis ändert, mit dem das Farbteiler-Element darauf auftreffendes polychromatisches Licht auf die ihm zugeordnete Pixel verteilt, und das parallele optischen Flächen aufweist. Mit Hilfe eines solchen Strahlverlagerungselements lässt sich das Aufteilungsverhältnis so abändern, dass eine optimale Anpassung an die spektrale Empfindlichkeit der für das Farbempfinden zuständigen Zäpfchen des menschlichen Auges erreicht wird. Die optischen Flächen des Strahlverlagerungselements können dabei geknickt oder gekrümmt sein.
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Der Bildaufnehmer kann eine Auswerteelektronik aufweisen, die derart ausgebildet ist, dass sie Ausgangssignale der einem Farbteiler-Element zugeordneten Sensorpixel mit spektralen Empfindlichkeitsfunktionen verknüpft und daraus Farbwerte ableitet.
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Gegenstand der Erfindung ist ferner eine digitale Kamera mit einer Abbildungsoptik, mit der ein Objekt auf einer Bildebene abbildbar ist, und mit einem erfindungsgemäßen Bildaufnehmer.
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Vorzugsweise sind die Farbteiler-Elemente dann in oder in unmittelbarer Nähe einer Bildebene der Abbildungsoptik angeordnet, wie es oben bereits erwähnt wurde.
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Bevorzugt ist es ferner, wenn die Abbildungsoptik zumindest bildseitig telezentrisch ist. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass die auf die Farbteiler-Elemente auftreffenden Lichtbündel mit senkrechtem Hauptstrahl die Bildebene durchsetzen, was die Auslegung der Farbteiler-Elemente erleichtert.
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Bevorzugt ist ferner, wenn die Abbildungsoptik eine bildseitige numerische Apertur von weniger als 0.1 und vorzugsweise von weniger als 0.05 hat. Eine solche kleine numerische Apertur ist zweckmäßig, weil die meisten in Betracht kommenden Farbteiler-Elemente das spektral zerlegte Licht zusätzlich ablenken, wenn sich die Einfallsrichtung des auftreffenden Lichts verändert. Verändern sich diese Einfallsrichtungen nur geringfügig, wie dies bei kleinen bildseitigen numerischen Aperturen der Abbildungsoptik der Fall ist, so ist der Verlust an Farbinformation, der durch die zusätzliche Ablenkung in Folge variierender Einfallswinkel entsteht, gering.
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Die Erfindung lässt sich auch umgekehrt für Bilderzeugungseinrichtungen für die Wiedergabe von Farbbildern verwenden, was im Wesentlichen lediglich einer Umkehrung der Lichtausbreitungsrichtung erfordert. Eine erfindungsgemäße Bilderzeugungseinrichtung weist mehrere schaltbare Leuchtpixel und mehrere nebeneinander angeordnete Überlagerungs-Elemente auf. Jedem Überlagerungs-Element sind mindestens zwei Leuchtpixel zugeordnet, die Licht mit unterschiedlicher Farbe erzeugen. Ferner sind die Überlagerungs-Elemente in einem zweidimensionalen Muster angeordnet, wobei jedes Überlagerungs-Element derart ausgebildet ist, dass es das Licht, das aus unterschiedlichen Richtungen mit unterschiedlichen Farben auftrifft, zu einem gemeinsamen Strahlenbündel überlagert.
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Jedem Überlagerungs-Element kann ein optisches Sammelelement mit Sammelwirkung zugeordnet sein, das derart zwischen dem Überlagerungs-Element und den Leuchtpixeln angeordnet ist, dass es allen Lichtstrahlen ausgesetzt ist, die von den Leuchtpixeln auf das zugeordnete Überlagerungs-Element gerichtet werden.
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Ferner können die Überlagerungs-Elemente derart ausgebildet und relativ zu den Leuchtpixeln angeordnet sein, dass Licht einer Wellenlänge von mindestens zwei Leuchtpixeln erzeugt und auf das diesen zugeordnete Überlagerungselement fällt.
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Mindestens ein, aber nicht alle einem Überlagerungs-Element zugeordnete Leuchtpixel können zusätzlich auch einem benachbarten Überlagerungs-Element zugeordnet sein.
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In diesem Falle können benachbarte Überlagerungs-Elemente Licht, das mit gleicher Wellenlänge aus einer Richtung auftrifft, die für die beiden benachbarten Überlagerungs-Elementen verschieden ist, in die gleiche Richtung ablenken. Die verschiedenen Richtungen des auftreffenden Lichts sind dabei vorzugsweise spiegelsymmetrisch bezüglich einer Symmetrieebene, die zwischen den beiden Überlagerungs-Elementen verläuft.
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Jedem Überlagerungs-Element kann ein erster, ein zweiter und ein dritter Leuchtpixel zugeordnet sein, wobei der erste Leuchtpixel zusätzlich auch einem zu einer Seite benachbarten Überlagerungs-Element zugeordnet und der zweite Leuchtpixel zusätzlich auch einem zu einer anderen Seite benachbarten Überlagerungs-Element zugeordnet ist.
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In diesem Fall hat Licht, das von dem dritten Leuchtpixel erzeugt wird, vorzugsweise Wellenlängen, die im Mittel zwischen den Wellenlängen des Lichts liegen, die von dem ersten und dem zweiten Leuchtpixel erzeugt werden.
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Jedem Leuchtpixel kann ein optisches Element mit sammelnder oder zerstreuender Wirkung zugeordnet sein, das derart zwischen dem Überlagerungs-Element und den Leuchtpixeln angeordnet ist, dass es nur den Lichtstrahlen ausgesetzt ist, die von einem einzelnen Leuchtpixel erzeugt werden.
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Mindestens ein Überlagerungs-Element kann ein diffraktives optisches Element umfassen. Vorzugsweise weist dann das Überlagerungs-Element ein keilförmiges Prisma mit davon getragenen beugenden Strukturen auf. Bei benachbarten Überlagerungs-Elementen, denen mindestens ein Leuchtpixel gemeinsam zugeordnet ist, können die keilförmigen Prismen alternierende Keilwinkel haben.
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Mindestens ein Überlagerungs-Element kann ein refraktives optisches Element umfassen, und zwar insbesondere ein Prisma und weiter insbesondere ein Geradsichtprisma.
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Jedes Leuchtpixel kann ein diffraktives optisches Element und einen Lichtschalter umfassen. Bei dem Lichtschalter kann es sich beispielsweise um ein schaltbares LCD-Element oder einen verkippbaren Spiegel handeln.
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Gegenstand der Erfindung ist außerdem ein digitaler Bildprojektor mit einer Abbildungsoptik, mit der ein Objekt auf eine Bildebene abbildbar ist, und mit einer erfindungsgemäßen Bilderzeugungseinrichtung.
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Die Überlagerungs-Elemente sind dabei bevorzugt in einer Bildebene der Abbildungsoptik angeordnet, wobei diese zumindest objektseitig telezentrisch sein kann und eine objektseitige numerische Apertur von weniger als 0.1 und weiter vorzugsweise von weniger als 0.05 hat.
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Gegenstand der Erfindung ist außerdem ein Spektroskop für die ortsaufgelöste Spektroskopie mit mehreren lichtempfindlichen Sensorpixeln und mit mehreren nebeneinander angeordneten Farbteiler-Elementen. Jedem Farbteiler-Element sind mindestens vier Sensorpixel zugeordnet. Ferner ist jedes Farbteiler-Element derart ausgebildet, dass es darauf auftreffendes polychromatisches Licht auf die ihm zugeordneten Sensorpixel mit einem Aufteilungsverhältnis verteilt, das von der spektralen Zusammensetzung des auftreffenden Lichts abhängt. Erfindungsgemäß sind die Farbteiler-Elemente in einem zweidimensionalen Muster angeordnet.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen. Darin zeigen:
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1 eine erfindungsgemäße Farbkamera gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in einem vereinfachten Meridionalschnitt;
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2 einen vergrößerten Ausschnitt eines Bildaufnehmers, der Teil der in der 1 gezeigten Farbkamera ist;
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3 eine Draufsicht auf den in der 2 gezeigten Bildaufnehmer;
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4 eine erfindungsgemäße Farbkamera gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem vereinfachten Meridionalschnitt;
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5 einen vergrößerten Ausschnitt eines Bildaufnehmers, der Teil der in der 4 gezeigten Farbkamera ist, mit einem Strahlengang für Licht mit einer Wellenlänge im roten Spektralanteil;
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6 eine Darstellung wie in der 5, jedoch für Licht mit einer Wellenlänge im blauen Spektralanteil;
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7 eine Darstellung wie in der 5, jedoch für Licht mit einer Wellenlänge im grünen Spektralanteil;
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8 eine Draufsicht auf den Bildaufnehmer der in der 4 gezeigten Farbkamera;
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9 einen vergrößerten Ausschnitt aus einem Bildaufnehmer für die in der 4 gezeigte Farbkamera gemäß einer ersten Ausführungsvariante;
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10 einen vergrößerten Ausschnitt aus einem Bildaufnehmer für die in der 4 gezeigte Farbkamera gemäß einer zweiten Ausführungsvariante;
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11 einen seitlichen Schnitt durch einen Bildaufnehmer, bei dem als Farbteiler-Elemente diffraktive optische Elemente verwendet werden;
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12a und 12b einen Ausschnitt aus dem in der 6 gezeigten Bildaufnehmer mit einem Strahlengang für senkrechten bzw. schrägen Lichteinfall;
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13 eine Seitenansicht eines Bildaufnehmers, bei dem als Farbteiler-Elemente Geradsichtprismen verwendet werden;
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14 eine vergrößerte Darstellung zweier benachbarter Geradsichtprismen mit eingezeichnetem Strahlengang;
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15 eine erfindungsgemäße Bilderzeugungseinrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem vereinfachten Meridionalschnitt;
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16 eine erfindungsgemäße Bilderzeugungseinrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem vereinfachten Meridionalschnitt;
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17 ein erfindungsgemäßes Spektroskop für die ortsaufgelöste Spektroskopie in einem vereinfachten Meridionalschnitt.
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BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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I. Farbkamera
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1. Erstes Ausführungsbeispiel
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Die 1 zeigt eine insgesamt mit 10 bezeichnete erfindungsgemäße Farbkamera in einem schematisch dargestellten Meridionalschnitt. Die Farbkamera 10 hat ein Gehäuse 12, das eine Abbildungsoptik 14 und einen Bildaufnehmer 16 aufnimmt. Die Abbildungsoptik 14 bildet ein bei 18 angedeutetes Objekt, das sich in einer Objektebene 20 der Abbildungsoptik 14 befindet, in eine Bildebene 22 der Abbildungsoptik 14 ab. In der 1 ist die Abbildungsoptik 14 vereinfacht als einzelne Sammellinse angedeutet; selbstverständlich kann die Abbildungsoptik 14 auch mehrere Linsen und andere optische Elemente enthalten.
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Die Bildebene 22 der Abbildungsoptik 14 fällt mit einer Aufnahmeebene des Bildaufnehmers 16 zusammen, in der dieser das von der Abbildungsoptik 14 erzeugte Bild des Objekts 18 aufnimmt; im Folgenden wird deswegen für die Bildebene und die Aufnahmeebene die gleiche Bezugsziffer 22 verwendet. In der Aufnahmeebene 22 sind mehrere Farbteiler-Elementen 24 in einem zweidimensionalen regelmäßigen Muster angeordnet. Die von den Farbteiler-Elementen 24 in der Aufnahmeebene 22 überdeckte Fläche hat ein Seitenverhältnis von höchstens 5:1 und legt die maximale Größe des Bildes fest, welches von dem Bildaufnehmer 16 aufgenommen werden kann.
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Die Farbteiler-Elemente 24 haben die Aufgabe, polychromatisches Licht, das von dem Objekt 18 ausgeht und in der Aufnahmeebene 22 auf die Farbteiler-Elemente 24 auftrifft, spektral zu zerlegen und die verschiedenen Spektralanteile auf Sensorpixel 26 zu verteilen, die auf einem Träger 28 angeordnet sind. Die Sensorpixel 26 erfassen möglichst unabhängig von der Wellenlänge die Intensität des auf sie auftreffenden Lichts und erzeugen intensitätsabhängige elektrische Ausgangssignale. Diese Ausgangssignale werden einer Auswerteelektronik 30 des Bildaufnehmers 16 zugeführt, die daraus für die einzelnen Farbteiler-Elemente 24 Farbwerte, z. B. in einem RGB-Farbraum, berechnet. Diese Farbwerte können dann in einem Speicher 32 des Bildaufnehmers 16 gespeichert werden.
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Die spektrale Zerlegung des polychromatischen Lichts mit Hilfe der Farbteiler-Elemente 24 wird im Folgenden mit Bezug auf die 2 näher erläutert, welche einen vergrößerten Ausschnitt eines Teils des in der 1 gezeigten Bildaufnehmers 16 zeigt.
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Die Farbteiler-Elemente 24 sind so ausgebildet, dass sie unterschiedliche Spektralanteile des auftreffenden farbigen Lichts 34 in unterschiedliche Richtungen ablenken. Der Einfachheit halber sei hier zunächst angenommen, dass einfallendes polychromatisches Licht 34 kollimiert ist und senkrecht auf die Farbteiler-Elemente 24 auftrifft. Wenn diese die Spektralanteile des auftreffenden Lichts 34 in unterschiedliche Richtungen ablenken, ohne die Parallelität des Lichts an sich zu beeinflussen, dann treten aus Austrittsflächen der Farbteiler-Elemente 24 kollimierte Strahlenbündel aus, deren Ausbreitungsrichtung von der Wellenlänge abhängt.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel enthält der Bildaufnehmer 16 eine matrixartige Anordnung von Sammellinsen 36, die zwischen den Farbteiler-Elementen 24 und den Sensorpixeln 26 befestigt sind. Jedem Farbteiler-Element 24 ist dabei eine Sammellinse 36 zugeordnet, wobei der Abstand zwischen den Farbteiler-Elementen 24 und den Sammellinsen 36 so klein ist, dass das gesamte ein Farbteiler-Element 24 durchtretende Licht auch die jeweils zugeordnete Sammellinse 36 durchtritt.
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Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind jedem Farbteiler-Element 24 drei Sensorpixel 26 zugeordnet, und zwar ein erster Sensorpixel 26a für den blauen Spektralanteil, ein zweiter Sensorpixel 26b für den grünen Spektralanteil und ein dritter Sensorpixel 26c für den roten Spektralanteil. Die Sensorpixel 26 sind zumindest annähernd in einer Brennebene der Sammellinsen 36 angeordnet, so dass diese die kollimierten, aber sich in unterschiedliche Richtungen ausbreitenden Strahlenbündel auf die Sensorpixel 26 fokussieren, wie dies in den 1 und 2 für drei unterschiedliche Wellenlängen im blauen, grünen und roten Spektralanteil durch gepunktete, durchgezogene bzw. gestrichelte Linien angedeutet ist. Die Sammellinse 36 setzt dabei die unterschiedlichen Ausbreitungsrichtungen der einzelnen Wellenlängen in Orte um, an denen sich die dem blauen, grünen und roten Spektralanteil zugeordneten Sensorpixel 26a, 26b bzw. 26c befinden.
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Die Auswerteelektronik 30 kann durch Auswerten der Ausgangssignale der einem Farbteiler-Element 24 zugeordneten Sensorpixel 26a, 26b, 26c ermittelt, wie viel Licht im blauen, grünen und roten Spektralbereich auf das Farbteiler-Element 24 auftrifft, und hieraus einen Farbwert für das auftreffende Licht ableiten. Jedes Farbteiler-Element 24 stellt somit einen Bildpunkt dar, der in der Aufnahmeebene 22 aufgelöst werden kann. Die Größe und Dichte der Farbteiler-Elemente 24 legt folglich die Auflösung des Bildaufnehmers 16 fest.
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In der Regel erzeugen die Farbteiler-Elemente 24 zumindest über einen größeren Wellenlängenbereich hinweg ein kontinuierliches Spektrum, sodass auch Licht in Zwischenräume zwischen den Sensorpixeln 26a, 26b und 26c fällt. Dieses Licht geht für eine Auswertung durch den Bildaufnehmer 16 verloren, weswegen die Zwischenräume zwischen den Sensorpixeln 26a, 26b, 26c möglichst klein sein sollten.
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Die 3 zeigt einen Ausschnitt des Bildaufnehmers 16 in Draufsicht. Die durch dicke schwarze Linien angedeuteten Farbteiler-Elemente 24 überdecken jeweils eine Sammellinse 36 und drei Sensorpixel 26a, 26b, 26c. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist jeder Bildpunkt, dem ein Farbteiler-Element 24, eine Sammellinse 36 und drei Sensorpixel 26a, 26b, 26c zugeordnet sind, in identischer Weise aufgebaut. Je nach dem noch zu erläuternden Aufbau der verwendeten Farbteiler-Elemente 24 ist es deswegen sogar möglich, mehrere Farbteiler-Elemente 24 bauteilmäßig zu größeren Komponenten zusammenzufassen und eine Unterteilung nur in funktioneller Hinsicht über die Zuordnung zu den Sensorpixeln 26 vorzunehmen. In der 3 ist eine solche mögliche Zusammenfassung von mehreren Farbteiler-Elementen durch gestrichelte Linien angedeutet, die lediglich eine funktionelle Trennung der benachbarten Farbteiler-Elemente andeuten sollen.
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Rechts neben der 3 sind zwei alternative Anordnungen von Sensorpixeln 26 und Linsen 36 dargestellt. Bei dem oben rechts gezeigten Ausführungsbeispiel haben die Sensorpixel 26 eine hexagonale Grundfläche, so dass diese sich mit minimalen Abständen und – bezogen auf eine Gruppe aus drei einem Farbeteiler-Element 24 zugeordneten Sensorpixeln 26a, 26b, 26c – dreizähliger Geometrie auf dem Träger 28 anordnen lassen. Das dazugehörige Farbteiler-Element muss in diesem Fall derart ausgebildet sein, dass es die unterschiedlichen Spektralanteile nicht nur in einer Ebene, sondern in zwei orthogonalen Ebenen abzulenken vermag.
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Bei der unten rechts in der 3 dargestellten Variante ist die rotationssymmetrische Linse 36 durch eine Zylinderlinse 136 ersetzt, die somit Brechkraft nur entlang einer Richtung hat. Senkrecht zu dieser Richtung erstrecken sich die Sensorpixel 126 über die gesamte Abmessung des zugeordneten Farbteiler-Elements 126 hinweg.
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Bei annähernd verlustfreien Farbteiler-Elementen 24 ermöglicht es der Bildaufnehmer 16 gemäß dem in den 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiel, beinahe 100% des in der Aufnahmeebene 22 auftreffenden Lichts den Sensorpixeln 26 zuzuführen. Daher hat der Bildaufnehmer 16 der Farbkamera 10 eine sehr hohe Lichtausbeute. Die Farbkamera 10 kann deswegen auch bei ungünstigen Lichtverhältnissen noch hervorragende Farbauflösungen erzielen.
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2. Zweites Ausführungsbeispiel
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Die 4 zeigt in einer an die 1 angelehnten Darstellung eine insgesamt mit 10' bezeichnete erfindungsgemäße Farbkamera gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Gleiche oder einander entsprechende Bauteile sind dabei mit gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet.
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Im Unterschied zu der in den 1 bis 3 gezeigten Farbkamera 10 sind bei dem Bildaufnehmer 16 der Farbkamera 10' keine Sammellinsen 36 vorgesehen, welche die von den Farbteiler-Elementen 24 abgelenkten Spektralanteile des auftreffenden Lichts auf die einzelnen Sensorpixel 26 fokussieren. Vielmehr wird bei diesem Ausführungsbeispiel bewusst zugelassen, dass jedes Farbteiler-Element 24 Licht einer beliebigen Wellenlänge nicht nur auf einen einzigen Sensorpixel 26, sondern auch auf die beiden jeweils benachbarten Sensorpixel richtet. So trifft das in der 4 von einem Farbteiler-Element 24a ausgehende Licht einer Wellenlänge, das nicht abgelenkt wird, nicht nur auf einen Sensorpixel 26b, sondern teilweise auch auf die benachbarten Sensorpixel 26a und 26c. Entsprechendes gilt für ein Lichtbündel mit einer kürzeren Wellenlänge, das durch gepunktete Linien angedeutet ist, und für ein Lichtbündel mit längerer Wellenlänge, das durch gestrichelte Linien angedeutet ist.
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Während somit bei dem in den 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiel das Aufteilungsverhältnis für eine bestimmte Wellenlänge 0:0:1, 0:1:0 oder 1:0:0 war, ist bei dem in der 4 dargestellten Ausführungsbeispiel das Aufteilungsverhältnis a:b:c, mit a, b, c ≠ 0. Das Aufteilungsverhältnis wird dabei für jede Wellenlänge etwas anders sein. Für die in der 4 gezeigten Wellenlängen, die etwa in der Mitte des blauen, grünen und roten Spektralanteils liegen, kann das Aufteilungsverhältnis beispielsweise 2:1:1, 1:2:1 bzw. 1:1:2 betragen, so dass genauso viel Licht auf den spektral ”richtigen” Sensorpixel wie auf die beiden ”falschen” Sensorpixel fällt.
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Das Aufteilungsverhältnis hängt insbesondere vom Aufbau der Farbteiler-Elemente 24, aber auch von der Anordnung der Sensorpixel 26 ab. Ist das Aufteilungsverhältnis für alle Wellenlängen bekannt, so kann die Auswerteelektronik 30 aus den von den Sensorpixeln 26 erzeugten elektrischen Ausgangssignalen die Farbwerte unter Verwendung an sich bekannter Algorithmen berechnen. Die Funktionsweise ist insoweit derjenigen des menschlichen Auges nicht unähnlich, bei dem die für die Farbempfindung zuständigen Zäpfchen ebenfalls für alle Wellenlängen empfindlich sind und sich die Farbinformation nur aus den Unterschieden der Empfindlichkeit für eine bestimmte Wellenlänge ergibt.
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Eine solche Ermittlung der Farbwerte ist jedoch nur möglich, wenn das Aufteilungsverhältnis nicht für alle Wellenlängen 1:1:1 ist, d. h. Licht einer bestimmten Wellenlänge zu gleichen Teilen auf drei benachbarte Sensorpixel fällt. Für die Abmessungen der Sensorpixel 26 bedeutet dies insbesondere, dass deren Breite nicht ein Drittel der Breite eines Strahlteiler-Elements 24 betragen darf, die wiederum annähernd dem Querschnitt der von den Farbteiler-Elementen 26 ausgehenden Lichtbündel einer bestimmten Wellenlänge entspricht. Bei dem oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel war die Breite der Sensorpixel kleiner als dieser Wert; wenn die Breiten jedoch größer als dieser Wert sein soll, dann können nicht mehr jedem Strahlteiler-Element 26 eindeutig drei unterschiedliche Sensorpixel 26a, 26b, 26c zugeordnet werden. Vielmehr müssen dann mehrere (aber nicht alle) einem Farbteiler-Element 24 zugeordnete Sensorpixel 26 zusätzlich auch einem benachbarten Farbteiler-Element zugeordnet sein, wie dies der 4 entnehmbar ist. Diese Doppelzuordnung erfordert wiederum, dass benachbarte Farbteiler-Elemente 24 auftreffendes Licht der gleichen Wellenlänge nicht in die gleiche, sondern in unterschiedliche Richtungen ablenken müssen.
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Dies wird im Folgenden anhand der 5 bis 7 erläutert, die einen vergrößerten Ausschnitt aus der 4 zeigen. Dargestellt sind jeweils zwei benachbarte Farbteiler-Elemente 24a, 24b, 24c sowie Sensorpixel 26, die zur besseren Unterscheidbarkeit mit den Anfangsbuchstaben der Primärfarben rot, grün und blau gekennzeichnet sind.
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In der 5 ist dargestellt, wie Licht einer Wellenlänge im roten Spektralanteil von den Farbteiler-Elementen 24 abgelenkt wird. Die Ablenkung erfolgt dabei so, dass dieses Licht primär auf die der roten Spektralfarbe zugeordneten Sensorpixel 26 fällt, die mit dem Kleinbuchstaben r bezeichnet sind. Wie man in der 5 erkennen kann, lenken jeweils benachbarte Farbteiler-Elemente 24 Licht dieser Wellenlänge jeweils in entgegengesetzte Richtungen ab. Die Richtungen, in die das Licht dieser Wellenlänge von benachbarten Farbteiler-Elementen abgelenkt wird, sind dabei spiegelsymmetrisch bezüglich einer Symmetrieebene, die zwischen den jeweils benachbarten Farbteiler-Elementen verläuft. Da die Anzahl der dem roten Spektralanteil zugeordneten Sensorpixel 26 nur halb so groß ist wie die Anzahl der Farbteiler-Elemente 24, müssen sich Paare benachbarter Farbteiler-Elemente jeweils einen Sensorpixel 26 für den Spektralanteil rot teilen. Da dieser Sensorpixel 26 nicht unterscheiden kann, welches Farbteiler-Element dieses Licht auf ihn richtet, bedeutet dies, dass die Auflösung für die in der 5 gezeigte Wellenlänge im roten Spektralbereich um einen Faktor 1/2 kleiner ist als die Auflösung, die sich rechnerisch aus der Zahl der Farbteiler-Elemente 24 ergibt.
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Die 6 zeigt in einer an die 5 angelehnten Darstellung die Verhältnisse für Licht, dessen Wellenlänge im blauen Spektralanteil liegt. Die vorstehend in Bezug auf die 5 erläuterten Erläuterungen gelten hier entsprechend.
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Die 7 zeigt in einer ebenfalls an die 5 angelehnten Darstellung einen Sonderfall, bei dem Licht mit einer Wellenlänge des grünen Spektralanteils auf die Sensorpixel 26 trifft, ohne von den Farbteiler-Elementen 24 abgelenkt zu werden. Licht dieser Wellenlänge überlappt sich nicht mit Licht gleicher Wellenlänge, das ein benachbartes Farbteiler-Element durchtreten hat. Folglich ist bei dieser Wellenlänge jedes Sensorpixel g für den Spektralanteil grün genau einem Farbteiler-Element 24 zugeordnet. Für dieses Licht wird somit, verglichen mit rotem oder blauen Licht, eine doppelt so hohe Auflösung erreicht, die durch die Anzahl der Farbteiler-Element 24 gegeben ist.
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Im Allgemeinen hat das Licht eine Wellenlänge, die zwischen den Wellenlängen liegen, deren Verteilung auf die Sensorpixel 26 in den 5 bis 7 gezeigt ist. Für diese Wellenlängen liegt die Auflösung rechnerisch zwischen der minimalen Auflösung, die in den 5 und 6 gezeigt ist, und der maximalen Auflösung, die in der 7 gezeigt ist.
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Die 8 zeigt den Bildaufnehmer 16 der Farbkamera 10' in einer Draufsicht. Im oberen Drittel ist durch unterschiedliche Schraffuren angedeutet, dass die jeweils benachbarten Farbteiler-Elemente 24 auftreffendes Licht der gleichen Wellenlänge (abgesehen von dem in der 7 gezeigten Sonderfall des nicht abgelenkten Lichts) in unterschiedliche Richtungen ablenken, wie dies in den 5 und 6 gezeigt ist. Im mittleren Drittel der 8 ist die Schraffur weggelassen, um die Anordnung der Farbteiler-Elemente 24 relativ zu den darunter erkennbaren Sensorpixeln 26 nachvollziehen zu können; im unteren Drittel sind die Farbteiler-Elemente 24 überhaupt nicht dargestellt.
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Wie bereits erwähnt, bilden die Sensorpixel 26 bei diesem Ausführungsbeispiel eine Anordnung, bei der die mit dem Buchstaben g gekennzeichneten Sensorpixel für den grünen Spektralanteil doppelt so oft vorkommen wie die mit dem Buchstaben r und b gekennzeichneten Sensorpixel, die dem roten bzw. dem blauen Spektralanteil zugeordnet sind. Diese Ungleichgewichtung der einzelnen Spektralanteile trägt der höheren Empfindlichkeit des menschlichen Auges für grünes Licht Rechnung und ist deswegen auch in herkömmlichen Bildaufnehmern realisiert, bei denen die einzelnen lichtempfindlichen Sensorpixel mit Farbfiltern versehen und im Bayer-Muster angeordnet sind. Ähnlich wie auch beim Bayer-Muster können bei der in der 8 gezeigten Anordnung der Sensorpixel 26 Farbwerte für Positionen zwischen Sensorpixeln 26, die einem bestimmten Spektralanteil zugeordnet sind, interpoliert werden.
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Bei annähernd verlustfreien Farbteiler-Elementen 24 ermöglicht es der Bildaufnehmer 16 gemäß dem in den 4 bis 8 dargestellten Ausführungsbeispiel, beinahe 100% des in der Aufnahmeebene 22 auftreffenden Lichts den Sensorpixeln 26 zuzuführen. Daher hat der Bildaufnehmer 16 der Farbkamera 10' ebenfalls eine sehr hohe Lichtausbeute. Die Farbkamera 10' kann deswegen auch bei ungünstigen Lichtverhältnissen noch hervorragende Farbauflösungen erzielen.
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Der konstruktive Aufbau ist jedoch noch einfacher als bei der in den 1 bis 3 gezeigten Farbkamera 10 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, da die Anordnung von Sammellinsen 34 entfällt. Außerdem können, bei angenommener Minimalgröße der Sensorpixel 26, die Farbteiler-Elemente bei der in den 4 bis 8 gezeigten Farbkamera 10', deutlich kleiner sein, da nicht drei, sondern nur zwei Sensorpixel 26 auf der Fläche eines Farbteiler-Elements 24 angeordnet werden müssen. Entsprechend kleiner und preisgünstiger kann, bei gleicher Auflösung, auch die Abbildungsoptik 14 ausfallen.
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Der Bildaufnehmer 16 ist außerdem unempfindlicher gegenüber Justagefehlern. Wird die Anordnung der Farbteiler-Elemente 24 bei der Montage nicht korrekt gegenüber der Anordnung der Sensorpixel 26 ausgerichtet, so kann dem nachträglich noch durch eine rechnerische Modifizierung der Aufteilungsverhältnisse Rechnung getragen werden, die von der Auswerteelektronik 30 bei der Ermittlung der Farbwerte zugrunde gelegten werden.
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Die 9 zeigt eine Variante des in den 4 bis 8 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiels, bei dem zwischen den Farbteiler-Elementen 24 und den Sensorpixeln 26 ebenfalls wie bei dem in den 1 bis 3 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel Sammellinsen 38 angeordnet sind. Die Sammellinsen 38 sind dabei jedoch nicht in der Nähe der Farbteiler-Elemente 24, sondern in der Nähe der Sensorpixel 26 angeordnet. Dadurch werden die Sammellinsen 38 nur von Licht durchtreten, das auf einen Sensorpixel 26, dem die jeweilige Sammellinse 38 zugeordnet ist.
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Die Sammellinsen 38 ermöglichen es, das gesamte Licht, das die Farbteiler-Elemente 24 durchtritt, auf die Sensorpixel 26 zu richten, und zwar auch dann, wenn diese, wie in der 9 angedeutet, durch größere Abstände voneinander getrennt sind. Ferner ermöglichen es die Sammellinsen 38, das spektral zerlegte Licht mit einer numerischen Apertur auf die Sensorpixel 26 fallen zu lassen, bei der diese eine optimale Empfindlichkeit haben. Im Gegensatz zu den in der 2 gezeigten Sammellinsen 36 jedoch lässt sich hier durch einen geringen lateralen Versatz der Sammellinsen 38 erreichen, dass das Licht auf alle Sensorpixel 26 unter ähnlichen Winkeln auftrifft.
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Die 10 zeigt eine weitere Variante des in den 4 bis 8 gezeigten Bildaufnehmers 16, bei der zwischen jedem Farbteiler-Element 24 und den Sensorpixeln 26 ein dem jeweiligen Farbteiler-Element 24 zugeordnetes Strahlverlagerungselement 40 angeordnet ist, welches das Aufteilungsverhältnis verändert, mit dem die Spektralanteile des auftreffenden Lichts auf die dem betreffenden Farbteiler-Element 24 zugeordneten Sensorpixel 26 verteilt werden. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Strahlverlagerungselemente 40 als dachartig geknickte Platten mit parallelen Flächen 42, 44 ausgebildet. Eine Knicklinie 46 der Strahlverlagerungselemente 40 erstreckt sich dabei senkrecht zu der Richtung, in der die Spektralanteile von den Farbteiler-Elementen 24 abgelenkt werden. Wie man in der Mitte der 10 erkennen kann, verlagert das Strahlverlagerungselement Licht einer Wellenlänge, die im grünen Spektralanteil liegt, derart, dass mehr Licht als bei dem in der 7 gezeigten Ausführungsbeispiel auf den Sensorpixel trifft, der dem grünen Spektralanteil zugeordnet und deswegen mit dem Buchstaben g gekennzeichnet ist. Auf diese Weise wird das Aufteilungsverhältnis zugunsten der Sensorpixel g erhöht. Infolge der Parallelität der Grenzflächen 42, 47 verändert sich die Ausbreitungsrichtung des Lichts beim Durchtritt durch das Strahlverlagerungselement 40 nicht.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Strahlverlagerung am größten für senkrechten Einfall auf das Strahlverlagerungselement 40, wie dies in der Mitte der 10 dargestellt ist. Je schräger das Licht einfällt, desto weniger verändert sich das Aufteilungsverhältnis; für Licht, das hauptsächlich auf die dem roten oder blauen Spektralanteil zugeordneten Sensorpixel r bzw. b fällt, findet zwar eine Verlagerung des Lichts statt, jedoch hat diese keine oder allenfalls geringe Auswirkungen auf das Aufteilungsverhältnis.
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Mit solchen oder auch anders geformten Strahlverlagerungselementen 40, welche die numerische Apertur nicht verändern, lässt sich für einen gegebenen Typ von Farbteiler-Elementen 24 das Aufteilungsverhältnis so verändern, dass eine optimale, an die spektrale Empfindlichkeit des menschlichen Auges angepasste Farbbestimmung möglich wird. So können die Strahlverlagerungselemente 40 insbesondere gewellte parallele Grenzflächen 42, 44 aufweisen.
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Die nebeneinander in einer Reihe angeordneten dachförmigen Strahlverlagerungselemente 40 können auch zu mehreren streifenförmigen Bauteilen oder sogar zu einem einzigen größerem Bauteil zusammengefasst sein, das etwa die Größe des aufzunehmenden Bildes hat. In 10 sind deswegen die nebeneinander angeordneten Strahlverlagerungselemente 40 nur durch gestrichelte Linien voneinander abgegrenzt.
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3. Geeignete Farbteiler-Elemente
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Im Folgenden werden Beispiele für Farbteiler-Elemente beschrieben, die in den Bildaufnehmern 16 der vorstehend beschriebenen Farbkameras 10, 10' eingesetzt werden können.
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a. Diffraktive optische Elemente
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Die 11 zeigt in einem vergrößerten Ausschnitt einen Schnitt durch mehrere Farbteiler-Elemente 24 und die diesen zugeordneten Sensorpixel 26. Jedes Farbteiler-Element 24 weist einen prismatischen, und zwar im Wesentlichen keilförmigen, Träger 45 auf, der Beugungsstrukturen 47 trägt.
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Die Beugungsstrukturen 47 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel als geblazete Strukturen ausgebildet, die derart dimensioniert und gegenüber dem einfallenden Licht 34 ausgerichtet sind, dass die nullte Beugungsordnung unterdrückt und der überwiegende Teil des auftreffenden Lichts 34 in eine der beiden ersten Beugungsordnungen abgelenkt wird. Diese Beugung ist abhängig von der Wellenlänge des Lichts, so dass sich die gewünschte Abhängigkeit des Ablenkungswinkels von der Wellenlänge ergibt. Die Aufbringung der Beugungsstrukturen 47 auf die keilförmigen Träger 45 gewährleistet dabei, dass sich im Mittel keine Nettoablenkung ergibt. Mit anderen Worten wird in der 11 genauso viel Licht von einem Farbteiler-Element 24 nach rechts wie nach links abgelenkt, wodurch die Spektralanteile symmetrisch relativ zur der Richtung aufgeteilt werden, mit der das Licht 34 auf die Farbteiler-Elemente 24 auftrifft.
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Die Farbteiler-Elemente 24 sind wechselseitig auf Umschlag angeordnet, wodurch jeweils zwei benachbarte Farbteiler-Elemente 24 unterschiedlich, aber bezüglich einer entlang der Grenze zwischen den Farbteiler-Elementen verlaufenden Symmetrieebene symmetrisch sind. Auf diese Weise wird erreicht, dass die wellenlängenabhängige Ablenkung des Lichts in der Weise erfolgt, wie sie oben mit Bezug auf die 5 und 6 erläutert wurde. Dadurch richten beispielsweise die beiden links in der 11 gezeigten Farbteiler-Elemente 24 den blauen Spektralanteil auf den gemeinsamen Sensorpixel 26a, wie dies weiter oben mit Bezug auf die 6 erläutert wurde.
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Bislang wurde der Einfachheit halber davon ausgegangen, dass das Licht 34 parallel zur optischen Achse, die durch die Symmetrieachse der Abbildungsoptik 14 festgelegt ist, auf die Farbteiler-Elemente 24 trifft. Mit achsparallelem Licht lässt sich jedoch keine Abbildung realisieren; vielmehr müssen auf die Aufnahmeebene 22, die mit der Bildebene der Abbildungsoptik 14 zusammenfällt, Strahlenbündel mit einer von Null verschiedenen numerischen Apertur konvergieren, damit auf den Farbteiler-Elementen 24 ein Bild des Objekts 18 entsteht. In der 1 ist ein solches konvergierendes Strahlenbündel durch gestrichelte Linien angedeutet und mit 46 bezeichnet.
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In den 12a und 12b ist dargestellt, wie sich die Ablenkung der Spektralanteile bei schrägem Lichteinfall verändert, wenn die Farbteiler-Elemente 24 wie in der 11 dargestellt als diffraktive optische Elemente ausgebildet sind. In der 12a ist erkennbar, wie Licht mit einer Wellenlänge im blauen Spektralanteil von einem Farbteiler-Element 24 abgelenkt und auf ein Sensorpixel 26 fällt, welcher der Spektralfarbe blau zugeordnet ist und deswegen mit dem Buchstaben b gekennzeichnet ist.
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Bei der Darstellung rechts in der 12b wurde hingegen unterstellt, dass das Licht unter einem von null verschiedenen Winkel zur optischen Achse auf das Farbteiler-Element 24 fällt, wie dies durch Pfeile 34 angedeutet ist. Berechnungen haben gezeigt, dass durch den schrägen Lichteinfall die spektrale Aufspaltung als solche kaum beeinflusst wird. Dies bedeutet, dass für zwei unterschiedliche Wellenlängen die Differenz der Ablenkungswinkel bei schrägem Lichtfall annähernd erhalten bleibt.
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Der schräge Lichteinfall hat jedoch zur Folge, dass es zu einer Art Offset der Ablenkungswinkel kommt, d. h. alle wellenlängenabhängigen Ablenkungswinkel verändern sich um einen bestimmten Betrag. Dieser Offset führt dazu, dass schräg einfallendes Licht das Farbteiler-Element 24 unter einem anderen Winkel verlässt als senkrecht einfallendes Licht der gleichen Wellenlänge und somit auch mit einem anderen Aufteilungsverhältnis auf die Sensorpixel 26 auftrifft.
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In der 12b ist dieser Versatz in der Ebene der Sensorpixel 26 für Licht 34, das unter einem maximalen Winkel geneigt zur optischen Achse auf das Farbteiler-Element 24 auftrifft, mit d bezeichnet; die gestrichelten Linien deuten zum Vergleich den Lichtweg für senkrecht auftreffendes Licht an.
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Für Licht, das zur anderen Seite hin geneigt zur optischen Achse auf das Farbteiler-Element 24 auftrifft und in der 12b mit gepunkteten Pfeilen angedeutet ist, ergibt sich ein entsprechender Versatz vom Betrag d zur entgegengesetzten Richtung hin. In der 12 ist dies durch gepunktete Linien angedeutet.
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Der Versatz um den Betrag d zu beiden Seiten hin führt dazu, dass Licht einer bestimmten Wellenlänge nicht insgesamt die Fläche von zwei Sensorpixeln 26, sondern von mehr als zwei Sensorpixeln ausleuchtet. Die damit einhergehende Verschmierung der Farbinformation ist jedoch noch tolerierbar, solange diese zusätzlich ausgeleuchtete Fläche nicht größer ist als etwa die Hälfte der Fläche eines Sensorpixels.
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Um diese Verschmierung der Farbinformation möglichst gering zu halten, sollte durch die Abbildungsoptik 14 sichergestellt werden, dass die numerische Apertur NA des auf die Farbteiler-Elemente 24 auftreffenden Lichts möglichst klein ist. Besonders geeignet sind deswegen Abbildungsoptiken, die die Objekte 18 in der Objektebene 20 vergrößert auf die Aufnahmeebene 22 abbilden. Die bildseitige numerische Apertur ist dann um den Betrag des Abbildungsmaßstabs kleiner als die objektseitige numerische Apertur der Abbildungsoptik 14. Gut geeignet sind beispielsweise Mikroskopobjektive, deren bildseitige numerische Apertur oft kleiner ist als 0.1 oder sogar 0.05.
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b. Refraktive optische Elemente
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Bei dem in der 13 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Farbteiler-Elemente 24 als refraktive optische Elemente ausgebildet. Jedes Farbteiler-Element besteht aus einem Geradsichtprisma eines Typs, wie er im Stand der Technik als Amici-Prisma, bezeichnet wird. Jedes Geradsichtprisma umfasst drei Prismen 50, 52 und 54, deren brechende Flächen jeweils einen Winkel von 60° einschließen. Die drei Prismen 50, 52, 54 sind dabei hintereinander auf Umschlag angeordnet und in an sich bekannter Weise miteinander verkittet. Die beiden äußeren Prismen 50, 54 bestehen aus Kronglas, während das mittlere Prisma 52 aus Flintglas besteht. Daraus ergibt sich der in der 14 dargestellte Strahlengang für Licht unterschiedlicher Wellenlänge.
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Durch entsprechende Auswahl der optischen Materialien für die Prismen 50, 52, 54 wird erreicht, dass Licht mit einer gewünschten Mittenwellenlänge, das in der 14 mit einer durchgezogenen Linie angedeutet ist, aus dem Geradsichtprisma ohne Ablenkung austreten kann. Licht mit größeren oder kleineren Wellenlängen werden symmetrisch hierzu abgelenkt, wie dies in der 14 durch gestrichelte bzw. punktierte Linien angedeutet ist.
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Werden zwei solche Amici-Geradsichtprismen auf Umschlag angeordnet, wie dies in den 13 und 14 gezeigt ist, so wechseln die Ablenkungsrichtungen periodisch ab, so dass sich jeweils zwei benachbarte Geradsichtprismen ein Sensorpixel teilen können, wie dies weiter oben mit Bezug auf die 5 und 6 erläutert wurde und in der 13 dargestellt ist.
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Auch bei der Ausbildung der Farbteile-Elemente als Geradsichtprismen führt ein schräger Lichteinfall zur Verschmierung der Farbinformation. Daher sollte auch bei einem Einsatz von Geradsichtprismen die bildseitige numerische Apertur der Abbildungsoptik 14 möglichst klein sein.
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II. Farbbildprojektor
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Die erfindungsgemäße flächige Anordnung von Farbteiler-Elementen in der Aufnahmeebene 22 kann in Lichtumkehrrichtung dazu genutzt werden, von Leuchtpixeln erzeugtes Licht unterschiedlicher Farben zu überlagern, um daraus in einer Bilderzeugungseinrichtung ein zweidimensionales Farbbild zu erzeugen.
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Dies wird im Folgenden mit Bezug auf die 15 und 16 anhand von Ausführungsbeispielen erläutert, die jeweils einen Farbbildprojektor 110 zeigen. Teile, die entsprechend in einem der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele für eine Farbkamera 10 oder 10' vorkommen, sind mit um Einhundert erhöhen Bezugsziffern bezeichnet.
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Der in der 15 in einem schematischen Meridionalschnitt gezeigte Farbbildprojektor 110 weist ein Gehäuse 112 auf, in dem eine bei 114 angedeutete Abbildungsoptik und eine Bilderzeugungseinrichtung 116 angeordnet sind. Die Bilderzeugungseinrichtung 116 enthält einen digitalen Datenspeicher 132, der mit einer Ansteuerungselektronik 130 für Leuchtpixel 126 in Verbindung steht, die auf einem Träger 128 aufgebracht sind. Jeder Gruppe von drei Leuchtpixeln 126 ist ein Überlagerungselement 124 zugeordnet, wobei die Überlagerungselemente nebeneinander in einem zweidimensionalen Muster in einer Objektebene der Abbildungsoptik 114 angeordnet sind. Die den Überlagerungselementen 124 jeweils zugeordneten Leuchtpixel 126 erzeugen unterschiedliche Spektralfarben, die von den Überlagerungselementen 124 zu einem polychromatischen Lichtbündel überlagert werden. Die aus unterschiedlichen Richtungen auf die Überlagerungselemente 124 auftreffenden Lichtbündel werden dabei von den Überlagerungselementen 124 so vereint, dass sie telezentrisch, d. h. mit parallel zur optischen Achse verlaufenden Hauptstrahlen, die Überlagerungselemente 124 verlassen. Für die Anordnung und Ausbildung der Leuchtpixel 126 und der Überlagerungselemente 124 gelten die oben anhand der 2 bis 14 beschriebenen Überlegungen und Varianten entsprechend.
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Das auf den Überlagerungselementen 124 entstehende Bild wird nun mit Hilfe der Abbildungsoptik 114 auf eine Bildebene 120 abgebildet, auf der es betrachtet werden kann.
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Damit die von den einzelnen Leuchtpixeln 126 erzeugten Lichtbündel sich möglichst vollständig in den Überlagerungselementen 124 überlagern, müssen die aus den Überlagerungselementen 124 austretenden Lichtbündel eine kleine numerische Apertur haben, wie dies für einen Objektpunkt am linken Rand der Objektebene der Abbildungsoptik 114 mit einem gestrichelten Strahlenbündel angedeutet ist. Infolge dieser kleinen numerischen Apertur ist auch der Lichtleitwert der Abbildungsoptik 114 klein, der definiert ist als Produkt aus numerischer Apertur und Feldgröße. Der kleine Lichtleitwert wiederum ermöglicht den Einsatz kleiner und einfach aufgebauter Abbildungsoptiken 114.
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Die Leuchtpixel 126 sollten möglichst klein sein, da deren Abmessungen die Größe der Überlagerungselemente 124 und damit die Auflösung des Farbbildprojektors 110 maßgeblich bestimmen. Da derart kleine Leuchtpixel 126 meist nur relativ wenig Licht erzeugen, ist bei dem in der 16 gezeigten Ausführungsbeispiel eines Farbbildprojektors 110' vorgesehen, farbige Lichtpunkte unter Verwendung der in den 1 bis 14 beschriebenen Farbteiler-Elemente zu erzeugen.
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Hierzu weist die Bilderzeugungseinrichtung 116 dort keine selbststrahlenden Leuchtpixel 126 auf, sondern eine Lichtquelle 160, die über eine Kollimatorlinse 162 eine erste Anordnung aus Farbteiler-Elementen 124a beleuchtet. Diese Farbteiler-Elemente 124a sind genauso aufgebaut, wie dies oben mit Bezug auf die 4 bis 8 beschrieben wurde. An die Stelle der dortigen Sensorpixel 26 tritt bei der Bilderzeugungseinrichtung 116 jedoch ein Array aus schaltbaren Lichtsteuerpixeln 164. Der Transmissionsgrad der Lichtsteuerpixel 164 lässt sich dabei von einer mit einem digitalen Bildspeicher 132 verbundenen Ansteuerelektronik 130 individuell und kontinuierlich verändern, wie dies durch verschiedene Schwärzungsgrade bei drei der in der 16 dargestellten Lichtsteuerpixel 164 angedeutet ist. Durch die spektrale Aufteilung durch die Farbteiler-Elemente 126a werden die Lichtsteuerpixel 164 mit Licht unterschiedlicher Farben beleuchtet.
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Das von den Lichtsteuerpixeln 164 abgestrahlte Licht wird dann von den nachfolgenden Überlagerungselementen 124b überlagert, so dass auf der Austrittsfläche der Überlagerungselemente 124b ein farbiges Bild entsteht, das mit Hilfe der Abbildungsoptik 114 auf eine Bildebene 120 abgebildet werden kann. Die Lichtsteuerpixel 164 entsprechen somit funktionell den Leuchtpixeln 126 des in der 15 dargestellten Ausführungsbeispiels einer Farbbildprojektors 110, weil auch sie farbiges Licht veränderbarer Intensität abstrahlen können.
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Die Lichtsteuerpixel 164 können beispielsweise als LCD-Zellen realisiert sein, wie dies etwa von Flachbildschirmen her bekannt ist. Als Lichtsteuerpixel 164 kommen jedoch auch verkippbare Mikrospiegel in Betracht, die Teil eines mikroelektromechanischen Systems (MEMS) sein können, wie es etwa in Beamern häufig eingesetzt wird.
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Die in der 16 gezeigte Bilderzeugungseinrichtung 116 ermöglicht es, sehr lichtstarke Lichtquellen einzusetzen und das davon erzeugte Licht praktisch verlustfrei, d. h. ohne Einsatz von absorbierenden Farbfiltern, für die Erzeugung des Farbbildes in der Bildebene 120 zu nutzen.
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III. Spektrograph
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Das in den 1 bis 3 gezeigte Ausführungsbeispiel für eine Farbkamera 10 kann so abgewandelt werden, dass man ein Spektroskop für eine ortsaufgelöste Spektroskopie erhält. In diesem Fall muss lediglich die Zahl der Sensorpixel 26 ausreichend erhöht werden. Die 17 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen Spektrographen 210, bei dem jedem Farbteiler-Element 24 neun Sensorpixel zugeordnet sind. Je größer dabei die Zahl der Sensorpixel ist, die einem einzelnen Farbteiler-Element 23 zugeordnet sind, so höher ist die spektrale Auflösung des Spektrographen 210.
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Ansonsten entspricht der Aufbau des Spektrographen 210 demjenigen, der weiter oben mit Bezug auf die 1 bis 3 für die Farbkamera 10 erläutert wurde.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0383308 A2 [0006]
- US 5233703 [0008]
- US 5481381 [0008]
