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TECHNISCHES GEBIET
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Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung betreffen eine optische Anordnung, die eine Stapelstruktur mit mindestens drei Prismen umfasst. Weitere Ausführungsformen der Erfindung betreffen einen entsprechenden Objektivanschluss für eine Kamera.
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HINTERGRUND
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Optische Anordnungen mit mehreren Prismen (Mehrwege-Prismen) werden dazu verwendet, um Licht in mehrere Kanäle aufzuspalten oder zu vereinigen. Dabei kann die Aufspaltung bzw. Vereinigung des Lichts zum Beispiel hinsichtlich des Spektralbereichs geschehen.
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1 illustriert eine optische Anordnung 100, die aus dem Stand der Technik bekannt ist. Die optische Anordnung 100 umfasst vier Prismen 121, 122, 123, 124 in einer Stapelstruktur, die jeweils Licht 110 in einen entsprechenden Kanal 111, 112, 113, 114 aufspalten. Zwischen den Prismen 122 und 123 und innerhalb der Stapelstruktur ist ein Keil 131 angeordnet. Deshalb sind die Kanäle 111, 112 gegenüber den Kanälen 113, 114 gedreht. Es ist auch eine optische Platte 132 vorgesehen, die einen weiteren Kanal 115 definiert.
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Eine weitere optische Anordnung ist aus
US 6 181 414 B1 bekannt, siehe dort die
2. Im Vergleich zu der optischen Anordnung gemäß
1 befinden sich die Kanäle alle in einer Ebene und der Keil
131 entfällt.
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Optische Anordnungen sind auch bekannt aus:
GB 2 163 865 A und
US 2014 / 0 347 629 A1 und
US 5 777 673 A und
US 2007 / 0 019 298 A1 .
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Diese optischen Anordnungen können bestimmte Nachteile aufweisen. Z.B. kann die entsprechende Stapelstruktur vergleichsweise komplex sein. Zum Beispiel kann ein benötigter Bauraum zur Implementierung einer Stapelstruktur, welche die verwendeten Prismen umfasst, vergleichsweise groß sein. Dementsprechend kann die resultierende optische Anordnung vergleichsweise großen Bauraum benötigen. Insbesondere kann der benötigte Bauraum pro Kanal vergleichsweise groß sein.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Deshalb besteht ein Bedarf für verbesserte optische Anordnungen, welche mehrere Prismen zur Aufspaltung oder Vereinigung von Licht aufweist. Insbesondere besteht ein Bedarf für solche optische Anordnungen, welche einen vergleichsweise geringen Bauraum benötigen.
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Diese Aufgabe wird von den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Die Merkmale der abhängigen Patentansprüche definieren Ausführungsformen.
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Gemäß Patentanspruch 1 umfasst eine optische Anordnung eine Stapelstruktur. Die Stapelstruktur umfasst mindestens drei Prismen. Jedes der Prismen weist eine erste Fläche und eine gegenüberliegende zweite Fläche auf. Die optische Anordnung umfasst auch einen optischen Hauptpfad, der durch die Stapelstruktur verläuft. Die optische Anordnung umfasst auch jeweils für jedes der Prismen der Stapelstruktur einen optischen Nebenpfad, der durch das entsprechende Prisma verläuft und durch Teilreflektion von Licht an der zweiten Fläche des entsprechenden Prismas mit dem optischen Hauptpfad verbunden ist und an der ersten Fläche des entsprechenden Prismas Totalreflektion erfährt. Die optische Anordnung umfasst auch einen Keil mit einer ersten Fläche und einer zweiten Fläche. Der Keil ist im optischen Hauptpfad benachbart zur ersten Fläche eines äußeren Prismas der Stapelstruktur angeordnet. Die zweite Fläche des Keils ist parallel zu der ersten Fläche des äußeren Prismas angeordnet. Alle benachbarten Flächen nebeneinander angeordnete Prismen der Stapelstruktur sind parallel zueinander.
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Die Stapelstruktur kann zum Beispiel durch Aufeinanderstapeln der verschiedenen Prismen erhalten werden. Benachbarte Prismen können aneinander angrenzen, d.h. ohne weitere, zwischengeschobene optische Bauteile aus Glas nebeneinander angeordnet sein. Zum Beispiel kann zwischen benachbarten Prismen der Stapelstruktur ein Luftspalt und/oder ein Filter angeordnet sein. Luft innerhalb des Luftspalt und Glas der verschiedenen Prismen können derart unterschiedliche optische Medien, d.h. Medien mit unterschiedlichen Brechungsindizes, definieren. Weitere optische Bauteile aus Glas, die den Weg von Licht durch die Stapelstruktur beeinflussen, können zwischen benachbarten Prismen nicht vorgesehen sein. Dies bedeutet, dass es möglich ist, dass die Übergänge zwischen unterschiedlichen optischen Medien entlang des optischen Hauptpfads innerhalb der Stapelstruktur nur durch die Flächen der Prismen der Stapelstruktur gebildet werden. Andere Strukturen, die Übergänge zwischen unterschiedlichen optischen Medien bewirken würden, können nicht vorhanden sein. Durch das Verwenden einer solchen Stapelstruktur kann ein besonders kleiner Bauraum für die optische Anordnung erreicht werden. Außerdem kann die optische Anordnung vergleichsweise einfach und wenig komplex aufgebaut werden.
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Ein erstes Prisma der Stapelstruktur kann das äußere Prisma ausbilden. Z.B. kann das äußere Prisma die Stapelstruktur begrenzen. Auf der anderen Seite der Stapelstruktur kann ein weiteres äußeres Prisma angeordnet sein. Zwischen dem äußeren Prisma und dem weiteren äußeren Prisma können weitere Prismen angeordnet sein.
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Ein Prisma kann zum Beispiel einen geometrischen Körper definieren, der ein Vieleck als Grundfläche aufweist und dessen Seitenkanten beispielsweise parallel und gleich lang sind. Zum Beispiel kann das Prisma einen geometrischen Körper definieren, der ein Dreieck als Grundfläche aufweist. Die erste Fläche und die zweite Fläche können zum Beispiel nicht parallel zueinander angeordnet sein, d.h. einen Winkel Prismenwinkel miteinander einschließen. Das Prisma kann zum Beispiel einen Glaskörper aufweisen, welcher die erste Fläche und die zweite Fläche definiert. Der Glaskörper kann auch weitere Flächen definieren, beispielsweise eine Austrittsfläche. Z.B. kann die Austrittsfläche senkrecht zum jeweiligen optischen Nebenpfad angeordnet sein, sodass keine oder keine signifikante Ablenkung des Lichts entlang des Nebenpfads an der Austrittsfläche auftritt.
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Zum Beispiel können die Prismen der Stapelstruktur Bauernfeind-Prismen sein. Derart kann eine spezifische geometrische Ausgestaltung erzielt werden. Das Bauernfeind-Prisma kann eine Ablenkung des optischen Nebenpfads vom optischen Hauptpfad im Bereich von 45° bis 60° erzielen. Das Bauernfeind-Prisma selektiert Licht durch eine Teilreflektion und eine Totalreflektion.
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Durch geeignete Wahl der Prismenwinkel kann erreicht werden, dass Teilreflektion und/oder Totalreflektion innerhalb des Prismas auftritt. Die Teilreflektion und/oder Totalreflektion kann weiterhin durch die Luftspalte zwischen angrenzenden Flächen benachbarter Prismen und/oder Filter ermöglicht werden. In verschiedenen Beispielen ist es möglich, dass die Prismen der Stapelstruktur zumindest teilweise unterschiedliche Prismenwinkel aufweisen. Es ist aber auch möglich, dass der Prismenwinkel für alle Prismen der Stapelstruktur gleich ist. In einem solchen Fall kann eine besonders geringe Bauform der optischen Anordnung gewährleistet werden, da die verschiedenen Prismen raumeffizient gestapelt werden können.
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Der optische Hauptpfad kann zum Beispiel denjenigen Weg des Lichts durch die Stapelstruktur bzw. die optische Anordnung bezeichnen, der einem Zentralstrahl von parallel einfallendem Licht entspricht. Der optische Hauptpfad kann zum Beispiel den Weg von Licht durch die Stapelstruktur bezeichnen, welches keine Reflektion an den verschiedenen ersten und zweiten Flächen der Prismen erfährt. Entsprechend können die optischen Nebenpfade jeweils die Wege bezeichnen, die Licht, welches Teilreflektion an den jeweiligen zweiten Flächen der Prismen der Stapelstruktur erfährt, wählt.
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In einem Beispiel sind die Prismen der Stapelstruktur alle identisch geformt. Dies kann bedeuten, dass die ersten und zweiten Flächen der Prismen gleiche Abmessungen aufweisen und die verschiedenen Prismen auch gleiche Prismenwinkel aufweisen. Derart kann es möglich sein, eine besonders effiziente Herstellung der optischen Anordnung zu gewährleisten. Insbesondere ist es möglich, dieselben Herstellungsprozesse für alle Prismen der Stapelstruktur einzusetzen.
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Zum Beispiel ist es möglich das ein Keilwinkel des Keils im Bereich von 40 % bis 60 % des Prismenwinkels der Prismen der Stapelstruktur liegt. Dies bedeutet, dass es möglich ist, dass der Keilwinkel des Keils in etwa halb so groß ist wie der Prismenwinkel der Prismen der Stapelstruktur. Mit einem solchen Keilwinkel kann es besonders einfach möglich sein zu gewährleisten, dass identisch geformte Prismen oder Prismen mit gleichen verwendet werden.
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Es ist möglich, dass der optische Hauptpfad und die optischen Nebenpfade innerhalb der Stapelstruktur alle in einer Ebene liegen. Dies bedeutet, dass eine Drehung der Kanäle vermieden werden kann. Derart kann es möglich sein, ein besonders einfaches Anordnen von Detektoren und/oder Lichtquellen innerhalb der verschiedenen Kanäle zu gewährleisten. Insbesondere kann der Bauraum der optischen Anordnung reduziert werden.
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Es ist zum Beispiel möglich, dass jedes Prisma der Stapelstruktur weiterhin eine Austrittsfläche umfasst. Die Austrittsfläche kann senkrecht zum entsprechenden optischen Nebenpfad angeordnet sein. Die optische Anordnung kann weiterhin für zumindest ein Prisma der Stapelstruktur eine im jeweiligen optischen Nebenpfad benachbart zur Austrittsfläche des entsprechenden Prismas angeordnete optische Platte umfassen. Die optische Platte kann eine erste Fläche und eine zweite Fläche, die zueinander parallel und weiterhin parallel zur entsprechenden Austrittsfläche angeordnet sind, aufweisen. Zum Beispiel können unterschiedliche Prismen unterschiedlich dicke optische Platten aufweisen. Zum Beispiel können unterschiedliche Dicken der optischen Platten gewährleisten, dass Licht, dass unterschiedlichen Kanälen der optischen Anordnung zugeordnet ist, jeweils den gleichen Glasweg durchläuft. Gleichzeitig kann durch das Vorsehen der optischen Platten eine möglichst identische Bauform der verschiedenen Prismen gewährleistet werden.
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Die optische Anordnung kann zum Beispiel weiterhin für zumindest ein Prisma der Stapelstruktur einen im entsprechenden optischen Nebenpfad benachbart zur Austrittsfläche des entsprechenden Prismas angeordneten weiteren optischen Keil mit einer ersten Fläche und einer zweiten Fläche umfassen. Die erste und zweite Fläche des weiteren optischen Keils können einen Keilwinkel miteinander einschließen. Die erste Fläche des weiteren optischen Keils kann parallel zur entsprechenden Austrittsfläche angeordnet sein. Z.B. kann auf der zweiten Fläche des optischen Keils ein Filter angeordnet sein. An der zweiten Fläche des weiteren optischen Keils kann Teilreflektion stattfinden. Durch das Vorsehen des weiteren optischen Keils kann eine Aufspaltung des entsprechenden optischen Nebenpfads erreicht werden; dadurch kann es möglich werden, pro Prisma mehr als einen Kanal vorzusehen. Derart kann der benötigte Bauraum pro Kanal reduziert werden.
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Insbesondere kann es möglich sein, dass die Austrittsflächen von zweitnächst-benachbarten Prismen der Stapelstruktur parallel zueinander sind. Z.B. können die parallelen Austrittsflächen zueinander versetzt angeordnet sein, z.B. parallel zu den jeweiligen optischen Nebenpfaden. Derart kann eine besonders effiziente Anordnung von Detektoren und/oder Lichtquellen in den verschiedenen Kanälen erreicht werden. Zum Beispiel kann es möglich sein, Detektoren und/oder Lichtquellen in den verschiedenen Kanälen gekoppelt zu fokussieren.
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Zur Selektion von Licht mit bestimmten Eigenschaften sind entsprechende Filter vorgesehen. Dabei umfasst die optische Anordnung jeweils für jedes Prisma der Stapelstruktur einen Filter. Der Filter kann zum Beispiel parallel zur entsprechenden zweiten Fläche des entsprechenden Prismas angeordnet sein. Der Filter kann die Teilreflektion hinsichtlich des Spektralbereichs und/oder der Polarisation und/oder der Transmission von Licht durchführen.
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Zum Beispiel könnte der Filter ein Hochpassfilter oder ein Tiefpassfilter sein, welcher blaues Licht oder rotes Licht selektiv passieren lässt. Der Filter könnte auch ein Bandpassfilter sein, welches Licht mit bestimmten Farben des Spektrums selektiv passieren lässt. Der Filter könnte auch spektral-unsensitiv sein, d.h. alle Spektralbereiche gleichermaßen beeinflussen; hier könnte der Filter zum Beispiel einen bestimmten Transmissionswert vorgeben. Der Filter könnte auch ein Polarisationsfilter sein, welcher bestimmte Polarisation des Lichts reflektiert.
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Es ist möglich, dass die optische Anordnung jeweils für jedes Prisma der Stapelstruktur mindestens einen Kanal umfasst. Jeder Kanal kann zum Beispiel eine Lichtquelle und/oder einen Detektor aufweisen. Die Lichtquelle und/oder der Detektor können im entsprechenden optischen Nebenpfad außerhalb der Stapelstruktur angeordnet sein.
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Ein Kanal kann also diejenigen Elemente bezeichnen, die zum Auslesen bzw. Aussenden von Licht entlang eines optischen Nebenpfads erforderlich sind. Der Kanal kann also einen externen Zugriff auf die Eigenschaften des Lichts des jeweiligen optischen Nebenpfads ermöglichen.
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Z.B. kann die Lichtquelle eine Leuchtdioden (LED) oder ein Laser sein. Z.B. kann die Lichtquelle monochromatisches Licht oder Licht in einem bestimmen Spektralbereich aussenden. Z.B. kann die Lichtquelle weißes Licht aussenden. Ein weiteres Beispiel für eine Lichtquelle ist z.B. ein Display mit mehreren Bildpunkten. Ein weiteres Beispiel für eine Lichtquelle ist z.B. eine digitale Mikrospiegelvorrichtung (engl. digital micromirror device, DMD). Es können auch mikrooptoelektromechanische Systeme (engl. microoptoelectromechanical systems, MOEMS) als Lichtquelle eingesetzt werden.
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Grundsätzlich ist es möglich, dass die optische Anordnung mehr Kanäle als Prismen umfasst. Insbesondere kann es möglich sein, pro Prisma mehr als einen Kanal abzutrennen. Dies kann z.B. mittels des oben genannten weiteren optischen Keils geschehen. Alternativ oder zusätzlich kann auch dem optischen Hauptpfad mindestens ein Kanal zugeordnet sein. Zum Beispiel wäre es möglich, dass die Stapelstruktur vier Prismen umfasst; gleichzeitig kann die optische Anordnung mindestens fünf Kanäle umfassen, beispielsweise sieben Kanäle.
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Zum Beispiel können die Kanäle Detektoren mit jeweils einer Sensorebene umfassen. Die Sensorebene der Detektoren von zweitnächst-benachbarten Prismen der Stapelstruktur können parallel zueinander sein.
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Zum Beispiel kann jede Sensorebene eine Bildpunkt-Matrix mit mehreren Bildpunkten umfassen. Z.B. kann die Sensorebene durch einen CMOS-Sensor oder einen CCD-Sensor ausgebildet sein.
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Parallele Sensorebenen können eine besonders einfache relative Anordnung der verschiedenen Detektoren zueinander gewährleisten. Zum Beispiel können die verschiedenen Detektoren auf einen gemeinsamen Träger aufgebracht werden. Es ist auch möglich, dass die optische Anordnung eine Positionier-Mechanik umfasst. Die Positionier-Mechanik kann zum Beispiel eingerichtet sein, um die Sensorebenen der Detektoren von zweitnächst-benachbarten Prismen, d.h. parallele Sensorebenen, gekoppelt zu positionieren. Derart kann zum Beispiel eine besonders einfache Fokussierung stattfinden. Insbesondere kann die Positionier-Mechanik zum Beispiel eine Verstellung der zueinander parallelen Sensorebenen um gleiche Beträge entlang der verschiedenen optischen Nebenpfade erreichen. Zum Beispiel kann die Positionier-Mechanik, welche zwei parallele Sensorebenen positioniert, lediglich einen einzelnen Motor aufweisen, der für das Positionieren beider Sensorebenen verwendet wird.
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Es ist auch möglich, eine korrelierte Positionierung der Sensorebenen senkrecht zu den optischen Nebenpfaden parallel zur Sensorebene vorzunehmen. Zum Beispiel können die Sensorebenen von zwei der Detektoren senkrecht zum entsprechenden optischen Nebenpfad um einen Abstand zueinander versetzt sein, der kleiner ist als die Abmessung eines Bildpunkts der Sensorebenen. Derart kann eine Sub-Bildpunkt-Auflösung erzielt werden, wenn die Informationen der verschiedenen Detektoren kombiniert werden.
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Es wird auch ein Objektivanschluss für eine Kamera bereitgestellt. Der Objektivanschluss umfasst eine Stapelstruktur, die mindestens vier Prismen umfasst. Jedes der mindestens vier Prismen weist jeweils eine erste Fläche und eine gegenüberliegende zweite Fläche auf. Der Objektivanschluss umfasst auch einen optischen Hauptpfad, der durch die Stapelstruktur verläuft. Der Objektivanschluss umfasst jeweils für jedes der Prismen der Stapelstruktur einen optischen Nebenpfad, der durch das entsprechende Prisma verläuft und der durch Teilreflektion von Licht an der zweiten Fläche des entsprechenden Prismas mit dem optischen Hauptpfad verbunden ist und der an der ersten Fläche des entsprechenden Prismas Totalreflektion erfährt. Es ist möglich, dass alle benachbarten Flächen nebeneinander angeordneter Prismen der Stapelstruktur parallel zueinander sind.
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Zum Beispiel kann der Objektivanschluss die optische Anordnung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel umfassen.
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Für einen solchen Objektivanschluss können Effekte erzielt werden, die vergleichbar sind mit den Effekten, die für die optische Anordnung gemäß weitere Ausführungsformen erzielt werden können.
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Die oben dargelegten Merkmale und Merkmale, die nachfolgend beschrieben werden, können nicht nur in den entsprechenden explizit dargelegten Kombinationen verwendet werden, sondern auch in weiteren Kombinationen oder isoliert, ohne den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Figurenliste
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- 1 illustriert ein Mehrwege-Prisma, welches aus dem Stand der Technik bekannt ist.
- 2 illustriert ein Mehrwege-Prisma gemäß verschiedener Ausführungsformen, wobei das Mehrwege-Prisma vier Prismen und fünf Kanäle umfasst.
- 3 illustriert ein Mehrwege-Prisma gemäß verschiedener Ausführungsformen, wobei das Mehrwege-Prisma drei Prismen und fünf Kanäle umfasst, wobei das Mehrwege-Prisma weiterhin einen Keil umfasst, der vor einem äußeren Prisma angeordnet ist.
- 4 illustriert schematisch den Strahlengang von Licht durch das Mehrwege-Prismas der 3.
- 5 illustriert ein Mehrwege-Prisma gemäß verschiedener Ausführungsformen, wobei das Mehrwege-Prisma vier Prismen und sieben Kanäle umfasst, wobei das Mehrwege-Prisma weiterhin einen Keil umfasst, der vor einem äußeren Prisma angeordnet ist.
- 6 illustriert eine Kamera mit zwei Mehrwege-Prismen gemäß dem Stand der Technik.
- 7 illustriert eine Kamera gemäß verschiedener Ausführungsformen, wobei ein Objektivanschluss der Kamera ein Mehrwege-Prisma gemäß verschiedener Ausführungsformen umfasst.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden.
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Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Elemente. Die Figuren sind schematische Repräsentationen verschiedener Ausführungsformen der Erfindung. In den Figuren dargestellte Elemente sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu dargestellt. Vielmehr sind die verschiedenen in den Figuren dargestellten Elemente derart wiedergegeben, dass ihre Funktion und genereller Zweck dem Fachmann verständlich wird. In den Figuren dargestellte Verbindungen und Kopplungen zwischen funktionellen Einheiten und Elementen können auch als indirekte Verbindung oder Kopplung implementiert werden.
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Nachfolgend werden Techniken zur Vereinigung oder Aufspaltung von Licht beschrieben. Dabei kann gemäß verschiedener Beispiele Licht bezüglich des Spektralbereichs, der Polarisation und/oder der Intensität/Transmission aufgespalten/vereinigt werden.
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Die hierin beschriebenen Techniken beruhen auf der Verwendung eines Mehrwege-Prismas. In verschiedenen Beispielen umfassen die hierin beschriebenen Mehrwege-Prismen vier Kanäle, fünf Kanäle, sechs Kanäle, sieben Kanäle oder mehr Kanäle. Die hierin beschriebenen Mehrwege-Prismen umfassen eine Stapelstruktur, die mehrere Prismen umfasst. Zum Beispiel kann die Stapelstruktur drei oder mehr Prismen umfassen.
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Solche optischen Anordnungen können in unterschiedlichsten Anwendungen eingesetzt werden. Eine beispielhafte Anwendung ist zum Beispiel eine Beleuchtungs-/Projektionseinrichtung. Dabei kann zum Beispiel die Vereinigung von Informationen aus vier, fünf oder mehr verschiedenen Kanälen mit zugeordneten Lichtquellen - zum Beispiel Lichtquellen mit unterschiedlichen Spektren oder Displays, MOEMS oder DMDs - implementiert werden. Es kann zum Beispiel eine Sub-Bildpunkt-Überlagerung durch einen entsprechenden Versatz zwischen den Lichtquellen der verschiedenen Kanäle erzeugt werden. Weitere Anwendungen umfassen beispielsweise das Einkoppeln von Laserpointern, Markern, Autofokus-Strahlengänge, Kalibrations-Strahlengängen oder Meß-Strahlengängen.
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Eine weitere beispielhafte Anwendung betrifft eine Detektionseinrichtung, wie etwa eine Kamera. Dabei wird Bildinformation in die verschiedenen Kanäle aufgespaltet. Zum Beispiel kann die Aufspaltung hinsichtlich unterschiedlicher Spektralbereiche erfolgen. Auch in einem solchen Beispiel kann eine Sub-Bildpunkt-Überlagerung durch einen entsprechenden Versatz zwischen den Detektoren der verschiedenen Kanäle erstrebenswert sein, zum Beispiel um Bilder mit erhöhter Auflösung zu erhalten. Im Zusammenhang mit einer Kamera können die unterschiedlichen Kanäle zum Beispiel für Anwendungen im Bereich der Autofokus-Technologie, Bildgebung mit unterschiedlichen Lichtsensitivitäten, spektralen Messungen oder Polarisation-Messungen verwendet werden.
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Im Vergleich zu Referenzimplementierungen ermöglichen die hierin beschriebenen Techniken ein Mehrwege-Prisma, welches vergleichsweise wenig Bauraum erfordert. Ferner kann das entsprechende Mehrwege-Prisma ein vergleichsweise geringes Gewicht aufweisen. Die Komplexität der Konstruktion des entsprechenden Mehrwege-Prismas kann auch vergleichsweise gering sein. Der mechanische Aufwand zur Herstellung kann dadurch reduziert werden.
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2 illustriert ein beispielhaftes Mehrwege-Prisma. In der entsprechenden optischen Anordnung 200 sind vier Prismen 221, 222, 223, 224 sequenziell angeordnet. Einfallendes Licht 110 durchläuft entlang eines optischen Hauptpfads 250 zunächst das äußere Prisma 221 und dann die weiteren Prismen 222, 223, 224. Die Prismen 221, 222, 223, 224 bilden eine Stapelstruktur 201. Dabei sind die Prismen 221-224 derart gestapelt, dass der optische Hauptpfad 250 abwechselnd erste Flächen 261 und zweite Flächen 262 der Prismen 221-224 kreuzt.
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In 2, links unten ist eine Vergrößerung des Übergangs zwischen einer zweiten Fläche 262 und einer ersten Fläche 261 beispielhaft für die Prismen 221, 222 dargestellt. Die Vergrößerung ist beispielhaft für zwei Positionen entlang der Grenze zwischen den Prismen 221, 222 dargestellt. In verschiedenen Beispielen weist der Übergang keine Abhängigkeit von der Position entlang der Grenze zwischen den Prismen 221, 222 auf. Es ist also möglich, dass die Flächen 261, 262 gleichförmig ausgebildet sind.
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Aus der Vergrößerung der 2 ist ersichtlich, dass zwischen den Flächen 261, 262 ein Luftspalt 965 vorhanden ist. Der Luftspalt 965 ist in dem Beispiel der 2 zwischen dem Filter 266 und der Fläche 261 ausgebildet. Der Luftspalt 965 bewirkt durch die ausreichend großen Inzidenzwinkel des von Fläche 262 teilreflektierten Lichts Totalreflektion an der Fläche 261.
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Totalreflektion findet typischerweise statt, wenn:
- Sinus(lnzidenzwinkel) * Brechzahl vor Fläche > Brechzahl nach Fläche, wobei der Inzidenzwinkel als Winkel gegenüber der Senkrechten zur Fläche definiert ist.
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Aus 2 ist ersichtlich, dass Übergänge zwischen unterschiedlichen optischen Medien - beispielsweise in 2 Luft und Glas - entlang des optischen Hauptpfads 250 innerhalb der Stapelstruktur 201 nur durch die Flächen der Prismen 221-224 der Stapelstruktur 201 gebildet werden. Weitere optische Elemente wie z.B. Keile oder Platten sind innerhalb der Stapelstruktur 201 nicht vorhanden.
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Weiterhin umfasst die Stapelstruktur 201 für jedes Prisma einen Filter 266, der parallel zur entsprechenden zweiten Fläche 262 angeordnet ist. Zum Beispiel kann die entsprechende zweite Fläche den jeweiligen Filter 266 integral ausbilden, d.h. diesen umfassen. Der Filter 266 selektiert Licht mit bestimmten optischen Eigenschaften bei Teilreflektion 272 an der zweiten Fläche 272. Dabei kann der Filter 266 unterschiedliche Filtercharakteristiken aufweisen, beispielsweise hinsichtlich dem gefiltert Spektralbereich; der gefiltert Polarisation; und/oder der gefiltert Intensität, d.h. Transmission.
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Aus 2 ist weiterhin ersichtlich, dass alle benachbarten Flächen 261, 262 nebeneinander angeordneter Prismen 221-224 der Stapelstruktur 201 parallel zueinander sind: so ist die zweite Fläche 262 des Prismas 221 parallel zu der ersten Fläche 261 des Prismas 222; weiterhin ist die zweite Fläche 262 des Prismas 222 parallel zu der ersten Fläche 261 des Prismas 223; weiterhin ist die zweite Fläche 262 des Prismas 223 parallel zu der ersten Fläche 261 des Prismas 224. Durch eine solche parallele Anordnung benachbarter Flächen nebeneinander angeordneter Prismen 221-224 kann eine besonders kleine Bauform der Stapelstruktur 201 und damit der optischen Anordnung 200 erreicht werden.
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Durch die Teilreflektion 272 von Licht an der zweiten Fläche 262 ist pro Prisma 221-224 jeweils ein optischer Nebenpfad 251, 252, 253, 254 mit dem optischen Hauptpfad 250 verbunden. Im Falle von einfallendem Licht 110, wie in 2 dargestellt, bewirkt die Teilreflektion 272 eine Aufspaltung des optischen Hauptpfads 250. Entsprechend wäre es aber auch möglich, mittels der Teilreflektion 272 Vereinigung von Licht zu erzielen. Die verschiedenen optischen Nebenpfade 251-254 erfahren die Totalreflektion 271 an der ersten Fläche 261 des jeweiligen Prismas 221-224. Dadurch können Bauernfeind-Prismen ausgebildet werden. Grundsätzlich bewirken ausreichend große Inzidenzwinkel der optischen Nebenpfade 251-254 auf die erste Fläche 261 die Totalreflektion 271. Deshalb ist es erstrebenswert, die Geometrie der Stapelstruktur 201 und der verschiedenen Prismen 221-224 derart zu wählen, dass die Inzidenzwinkel der optischen Nebenpfade 251-254 auf die erste Fläche 261 ausreichend groß sind.
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In dem Beispiel der 2 umfasst die optische Anordnung 200 fünf Kanäle 211, 212, 213, 214, 215. Jeder Kanal umfasst im Beispiel der 2 einen Detektor 280, der im optischen Nebenpfad 251-253 außerhalb des jeweiligen Prismas und damit außerhalb der Stapelstruktur 201 angeordnet ist. Pro Kanal 211-215 ist also ein Detektor 280 bereitgestellt, der senkrecht zu dem jeweiligen optischen Pfad 250-254 angeordnet ist. In anderen Beispielen könnte auch eine Lichtquelle vorgesehen sein. Dabei wird pro Prisma 221-224 jeweils ein Kanal 211-214 ausgebildet. In anderen Beispiel kann pro Prisma 221-224 aber auch mehr als ein Kanal ausgebildet werden. In dem Beispiel der 2 wird ein weiterer Kanal 215 durch den optischen Hauptpfad 250 ausgebildet. Zur Erzielung gleicher Glaswege weisen die verschiedenen Prismen 221-224 alle unterschiedliche Formen auf; des Weiteren ist ein optischer Block 232 benachbart zu dem Prisma 224 vorgesehen.
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In dem Beispiel der 2 liegen der optische Hauptpfad 250 und die optischen Nebenpfade 251-254 alle in einer Ebene (im Beispiel der 2 die Zeichenebene). Dies ermöglicht eine kleine Bauform der optischen Anordnung 200, z.B. im Vergleich zur Referenzimplementierung gem. 1.
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In dem Beispiel der 2 weisen die verschiedenen Prismen 221-224 gleiche Prismenwinkel auf. Der Prismenwinkel ist jeweils zwischen der ersten Fläche 261 und der zweiten Fläche 262 definiert. Es sind aber auch Beispiele möglich, bei denen die Prismen der Stapelstruktur 201 unterschiedliche Prismenwinkel aufweisen.
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3 illustriert ein weiteres beispielhaftes Mehrwege-Prisma 200. Auch in dem Mehrwege-Prisma 200 gemäß dem Beispiel der 3 ist der Prismenwinkel zwischen der ersten Fläche 261 und der zweiten Fläche 262 für alle Prismen 221-223 der Stapelstruktur 201 gleich. Aus 3 ist ersichtlich, dass die Stapelstruktur 201 lediglich drei Prismen 221-223 umfasst, bei denen die optischen Teilpfade 251-253 Teilreflektion 272 an der jeweiligen zweiten Fläche 262 des entsprechenden Prismas 221-223 und Totalreflektion 271 an der jeweiligen ersten Fläche 261 des entsprechenden Prismas 221-223 erfahren.
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In dem Beispiel der 3 umfasst die optische Anordnung 200 weiterhin einen Keil 331 mit einer ersten Fläche 361 in einer zweiten Fläche 362. Die erste Fläche 361 und die zweite Fläche 362 definieren einen Keilwinkel des Keils 331. Der Keil 331 ist im optischen Hauptpfad 250 benachbart zu der ersten Fläche 261 des äußeren Prismas 221 der Stapelstruktur 201 angeordnet. Die zweite Fläche 362 des Keils 331 ist parallel zu der ersten Fläche 261 des äußeren Prismas 221. Zum Beispiel ist es auch in Bezug auf den Keil 331 möglich, dass zwischen der zweiten Fläche 362 des Keils 331 und der ersten Fläche 261 des äußeren Prismas 221 ein Luftspalt vorhanden ist, der die Totalreflektion 271 von Licht entlang des optischen Nebenpfads 251 im Prisma 221 bewirkt (in 3 nicht dargestellt).
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Der Keilwinkel des Keils 331 in dem Beispiel der 3 beträgt 50 %, das heißt ist halb so groß wie die Prismenwinkel der Prismen 221-223 der Stapelstruktur 201. Ferner fördert der Keil 331 kleinere Inzidenzwinkel des optischen Hauptpfads 250 auf die jeweiligen zweiten Flächen 262 der Prismen 221-223; darüber hinaus fördert der Keil 331 größere Inzidenzwinkel der jeweiligen optischen Nebenpfade 251-253 auf die erste Fläche 261 des entsprechenden Prismas 221-223. Dadurch wird erreicht, dass ein kleinerer Reflektionsgrad der Teilreflektion 272 und sichere Totalreflektion 271 erzielt wird, d.h. Robustheit gegenüber Toleranzen erzielt wird. Dadurch wird der Raumwinkel, aus welchem Licht auf Sensorflächen der Detektoren 280 der verschiedenen Kanäle 211-215 fokussiert werden kann, vergrößert.
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Aus 3 ist ferner ersichtlich, dass alle Prismen 221-223 der Stapelstruktur identisch geformt sind. Dies ermöglicht eine einfache und effiziente Herstellung der Prismen 221-223. Zur Erzielung gleicher Glaswege umfasst die optische Anordnung 200 weiterhin optische Platten 332, 333, die benachbart zu Austrittsflächen 265 der Prismen 221, 222 angeordnet sind. Die optischen Platten 332, 333 umfassen jeweils eine erste Fläche 366 und eine zweite Fläche 367. Die erste Fläche 366 und die zweite Fläche 367 sind jeweils parallel zueinander angeordnet. Außerdem sind die erste Fläche 366 und die zweite Fläche 367 parallel zur jeweiligen Austrittsfläche 265 des entsprechenden Prismas 221, 222 angeordnet. Dadurch wird vermieden, dass der optische Nebenpfad 251, 252 abgelenkt oder gebrochen wird.
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3 illustriert weiterhin Aspekte in Bezug auf einen weiteren optischen Keil 334 mit einer ersten Fläche 334A und einer zweiten Fläche 334B, die einen Keilwinkel miteinander einschließen. Der weitere optische Keil 334 wirkt auch als Prisma, wobei lediglich an der zweiten Fläche 334B Teilreflektion 272 auftritt; Totalreflektion des derart erzeugten optischen Nebenpfads 254 innerhalb des Keils 334 tritt nicht auf. Insoweit bildet der weitere optische Keil 334 auch kein Bauernfeind-Prisma aus. Die erste Fläche 334A des weiteren optischen Keils 334 ist parallel zur zweiten Fläche 262 des Prismas 223; zum Beispiel könnte wiederum ein Luftspalt vorgesehen sein (in 3 nicht gezeigt). Ein weiterer optischer Keil 335 ist hinter dem weiteren optischen Keil 334 angeordnet.
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Die weiteren optischen Keile 334, 335 definieren zwei weitere Kanäle 214, 215. Dadurch umfasst das Mehrwege-Prisma gemäß dem Beispiel der 3 drei Prismen 221-223 und fünf Kanäle 211-215.
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4 illustriert Aspekte in Bezug auf den Strahlengang von Licht 110 durch die optische Anordnung 200 der 3 aus 4 ist ersichtlich, dass Licht 110 aus einem vergleichsweise großen Raumwinkel 111 auf die optische Anordnung 200 bzw. insbesondere den Keil 331 einfallen kann und dennoch auf die Detektoren 280 der verschiedenen Kanäle 211-215 fokussieren wird. Dies wird durch geringe Inzidenzwinkel an den ersten Flächen 261 der Prismen 221-223 bzw. des Keils 331 ermöglicht.
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5 illustriert ein weiteres beispielhaftes Mehrwege-Prisma. In der entsprechenden optischen Anordnung 200 gemäß dem Beispiel der 5 ist - vergleichbar mit dem Beispiel der 3 - der Prismenwinkel zwischen der ersten Fläche 261 an der zweiten Fläche 262 für alle Prismen 221-224 der Stapelstruktur 201 gleich. In dem Beispiel der 5 umfasst die Stapelstruktur 201 jedoch vier Prismen 221-224. Die optische Anordnung 200 definiert sieben Kanäle 211-1, 211-2, 212-216. Dabei ist parallel zur Austrittsfläche 265 des äußeren Prismas 221 ein weiterer optischer Keil 336 angeordnet, das heißt eine erste Fläche 336A des weiteren optischen Keils 336 ist parallel zur Austrittsfläche 265 des Prismas 221 angeordnet. An einer zweiten Fläche 336B des weiteren optischen Keils 336 findet Teilreflektion von Licht des optischen Nebenpfads 251 statt, wodurch die optischen Nebenpfade 251-1, 251-2 erzeugt werden.
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In dem Beispiel der 3-5 ist ersichtlich, dass zweitnächst-benachbarte Prismen 221-224 parallel zueinander angeordnete Austrittsflächen 265 aufweisen. Zum Beispiel ist die Austrittsfläche 265 Prismas 221 parallel zu der Austrittsfläche 265 des Prismas 223 (vergleiche 3-5). Weiterhin ist in dem Beispiel der 5 die Austrittsfläche 265 des Prismas 222 parallel zur Austrittsfläche 265 des Prismas 224. Da die Austrittsfläche 265 der verschiedenen Prismen 221-224 parallel zueinander angeordnet sind, ist es möglich, dass die Detektoren 280 bzw. Lichtquellen (in 3-5 nicht dargestellt) auch parallel zueinander angeordnet sind. Insbesondere können zum Beispiel die Sensorebenen der Detektoren 280 von zweitnächst-benachbarten Prismen parallel zueinander angeordnet sein. Dann kann es mittels einer Positionier-Mechanik möglich sein, solche parallel zueinander angeordneten Detektoren 280 gekoppelt zu positionieren. Zum Beispiel kann eine Positionierung parallel zu dem jeweiligen optische Nebenpfad zur Fokussierung gekoppelt durchgeführt werden (in 5 durch die Pfeile entlang der optischen Nebenpfade 251-2, 253 dargestellt). Alternativ oder zusätzlich wäre es auch möglich, die Detektoren 280 senkrecht zu den optischen Nebenpfaden korreliert anzuordnen und/oder gekoppelt zu positionieren (in 5 durch Pfeile entlang der Detektoren 280 der Kanäle 212, 214 dargestellt). Z.B. können in dem Beispiel der 5 die Sensorebenen der Detektoren 280 der Kanäle 212, 214 um einen Abstand senkrecht zu den optischen Nebenpfaden 252, 254 zueinander versetzt sein, der kleiner ist als die Abmessung eines Bildpunkts der Sensorebenen. Durch Kombination der Sensordaten aus diesen Detektoren 280 kann dann ein Bild mit erhöhter Auflösung bereitgestellt werden. Eine Sub-Bildpunkt-Überlagerung ist möglich.
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6 illustriert Aspekte in Bezug auf eine Kamera 600 gemäß dem Stand der Technik. Die Kamera 600 umfasst ein Objektiv 601, einen ersten Objektivanschluss 602 und einen zweiten Objektivanschluss 603. Der erste Objektivanschluss 602 wird dazu verwendet, zwei Kanäle 211, 212 bereitzustellen; die Kanäle 211, 212 können zum Beispiel zur Infrarot-Bildgebung und Ultraviolett-Bildgebung verwendet werden. Der zweite Objektivanschluss 603 umfasst ein Mehrwege-Prisma mit drei Kanälen 213, 214, 215, welche zum Beispiel den drei Farbkanälen rot, grün und blau entsprechen können.
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Aus 6 ist ersichtlich, dass zwei Objektivanschlüsse 602, 603 benötigt werden, um alle Kanäle 211-215 bereitzustellen. Entsprechend ist die Kamera 600 schwer und unhandlich. Darüber hinaus ist das Vorhalten von zwei Objektivanschlüssen 602, 603 vergleichsweise teuer und fehleranfällig.
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7 illustriert Aspekte in Bezug auf eine Kamera 600, die eine optische Anordnung 200 gemäß verschiedener beispielhafter Implementierungen wie vorab beschrieben umfasst. Die Kamera 600 umfasst das Objektiv 601 und den Objektivanschluss 603. Der Objektivanschluss 603 umfasst ein Mehrwege-Prisma gemäß verschiedener hierin offenbarter Beispiele mit fünf Kanälen 211-215. Durch den vergleichsweise kleinen Bauraum, der von dem Mehrwege-Prisma 200 benötigt wird, ist es möglich, alle fünf Kanäle 211-215 in dem Objektivanschluss 603 bereitzustellen. Dies ist insbesondere im Zusammenhang mit einem sogenannten B4-Objektivanschluss der Fall. Der B4-Objektivanschluss definiert mechanische und optische Eigenschaften. Der als „B4“-Objektivanschluss bekannte Standard für TV-Kameras ist definiert in folgendem Dokument:
- „BTA S-1005B“ „Interconnection for HDTV Studio Equipment“ der ARIB „Association of Radio Industries and Businesses“ / Japan.
- Darin sind die optischen Parameter auf den Seiten 19 und 20 beschrieben, die geometrischen Werte auf Seite 26. Es ist definiert, dass zwischen dem Objektiv und den Bildsensoren ein Prismenblock mit folgenden Eigenschaften sein muss: Dicke des gesamten Glasweges 46,2 mm;
- 33.0 mm Glas A mit Brechzahl 1,52 bis 1,75 und Abbezahl 42,5 bis 50,5; und 13.2 mm Glas B Glastyp BK7.
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In Referenzimplementierungen wird ein Mehrwege-Prisma mit drei Kanälen (vergleiche 6) in einem B4-Objektivanschluss verwendet. Die drei Kanäle entsprechen den Spektralbereichen Rot, Grün und Blau. Weitere Wellenlängenbereiche, wie beispielsweise Ultraviolett oder Infrarot Wellenlängen, können zusätzlich zu den Kanälen Rot, Grün und Blau in solchen Referenzimplementierungen aufgrund des limitierten Bauraums des Objektivanschlusses nicht berücksichtigt werden. Eine beispielhafte Anwendung, bei der Infrarot-Wellenlängen von Interesse sind zum Beispiel die Kennzeichnung von Werbebanden bei Sportübertragungen. Basierend auf einer Kodierung der Werbebanden im Infrarot-Spektralbereich können diese in der digitalen Nachbearbeitung detektiert werden und die entsprechenden Bildpunkte modifiziert werden. Zum Beispiel kann derart eine Nutzer-spezifische Anpassung erfolgen. Eine weitere beispielhafte Implementierung für Kodierung von Bereichen mit Licht im Infrarot-Spektralbereich betrifft die Trennung von Vordergrund und Hintergrund; zum Beispiel können Bildpunkte im Bereich des Hintergrunds digital ersetzt werden. Solche Techniken sind zum Beispiel als Supponer-Verfahren bekannt. Solche Anwendungen können mit einem Objektivanschluss gemäß 7 implementiert werden.
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Zusammenfassend wurden voranstehend Techniken beschrieben, welcher auf der sequenziellen Anordnung von mindestens drei Prismen in einer Stapelanordnung beruhen. Eine entsprechende optische Anordnung stellt ein Mehrwege-Prisma bereit. In verschiedenen Beispielen umfasst die Stapelanordnung fünf oder mehr Prismen.
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Mittels solcher Techniken kann eine kompakte Aufteilung oder Vereinigung von optischer Information in fünf oder mehr Kanäle erfolgen. Die hierin beschriebenen Techniken ermöglichen es, Detektoren und/oder Lichtquellen der verschiedenen Kanäle gekoppelt zu positionieren. Insbesondere kann eine gekoppelte Positionierung entlang der entsprechenden optischen Nebenpfade und/oder senkrecht zu den entsprechenden optischen Nebenpfade erfolgen.
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In verschiedenen Beispielen umfasst die optische Anordnung auch einen Keil, der vor einem äußeren Prisma der Stapelstruktur angeordnet ist. Dadurch kann es ermöglicht werden, einen besonders einfachen Aufbau der Stapelstruktur zu erzielen. Zum Beispiel kann es möglich sein, dass die Prismenwinkel der verschiedenen Prismen gleich gewählt werden. Ferner kann es durch den Keil ermöglicht werden, dass die Inzidenzwinkel an den verschiedenen zweiten Flächen der Prismen vergleichsweise klein dimensioniert werden, so dass eine vergleichsweise hohe Transmission erzielt werden kann. Gleichzeitig kann es durch den Keil ermöglicht werden, dass die Inzidenzwinkel an den ersten Flächen der Prismen vergleichsweise klein dimensioniert werden, so dass auch hier eine vergleichsweise hohe Transmission im Hauptpfad erzielt werden kann und parallel aber auch die Totalreflektion des Lichtes der Nebenpfade sicher erreicht wird. Ferner kann es durch den Keil ermöglicht werden, dass die Abstände zwischen benachbarten Kanälen größer werden, so dass Detektoren und/oder Lichtquellen mit größeren Gehäusen verwendet werden können.
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Die hierin beschriebenen Techniken können in unterschiedlichsten Anwendungsfeldern eingesetzt werden. Insbesondere können die hierin beschriebenen Mehrwege-Prismen für Objektivanschlüsse verwendet werden, die die B4-Norm erfüllen. Dies ist der Fall, da die hierin beschriebenen Mehrwege-Prismen einen vergleichsweise geringen Bauraum benötigen und ferner einen kurzen Glasweg ermöglichen.
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Selbstverständlich können die Merkmale der vorab beschriebenen Ausführungsformen und Aspekte der Erfindung miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale nicht nur in den beschriebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder für sich genommen verwendet werden, ohne das Gebiet der Erfindung zu verlassen.
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Beispielsweise wurden obenstehend verschiedene Implementierungen in Bezug auf das Aufspalten von optischer Information bzw. optischen Pfaden beschrieben. Entsprechende Techniken können auch direkt angewendet werden auf Implementierung in Bezug auf das Vereinigen von optischer Information bzw. von optischen Pfaden. Beispielsweise wurden obenstehend verschiedene Anwendungen in Bezug auf einen Objektivanschluss beschrieben. Es ist aber auch möglich, optische Anordnungen, die wie hierin beschrieben ein Mehrwege-Prisma implementieren, in anderen Anwendungen einzusetzen. Ein weiteres beispielhaftes Anwendungsgebiet ist z.B. eine mehrfarbige Lichtquelle für die Fluoreszenzmikroskopie. Dabei können z.B. zehn oder mehr Kanäle, z.B. mehr als zwölf Kanäle mit entsprechenden LEDs als Lichtquellen bereitgestellt sein. Die LEDs können z.B. mit Sammellinsen kombiniert werden. Durch Vereinigung der entsprechenden optischen Nebenpfade kann dann eine die Ausgabe entlang eines einzelnen optischen Hauptpfads implementiert wird.
