DE112005003365T5 - Spektrometeranordnung ohne Lichtwegdifferenz - Google Patents

Spektrometeranordnung ohne Lichtwegdifferenz Download PDF

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Abstract

Spektrometeranordnung ohne Lichtwegdifferenz, die in einem konvergenten Lichtweg eines optischen Abbildungssystems verwendet wird, mit einem zwischen einer Objektivlinse und einem Fokus F' des konvergenten Lichtwegs eingefügten Spektroskop, wobei das Spektroskop ein Reflexionsspiegel ist, dessen Reflexionsfläche und die optische Achse einen Winkel bilden und welcher mit einem Durchgangsloch versehen ist, wobei ein Teil des durch die Objektivlinse durchgelassenen Strahlenbündels vor fokussierter Abbildung durch das Durchgangsloch hindurchgeht, während der andere Teil vor fokussierter Abbildung von der Reflexionsfläche reflektiert wird.

Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spektrometeranordnung, die in einem konvergenten Lichtweg eines optischen Abbildungssystems wie z.B. eines Teleskops, eines Beobachtungsfernrohrs und eines Zielfernrohrs verwendet wird, und betrifft insbesondere eine Spektrometeranordnung ohne Lichtwegdifferenz. Diese Anordnung ist gekennzeichnet durch Spektroskopie ohne Lichtwegdifferenz, Bewegung in einen Lichtweg und daraus heraus ohne Lichtwegdifferenz und keine Notwendigkeit für Neufokussierung, was das Umschalten zwischen Sichtbetrachtung und Digitalfotografie bequemer macht.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Bei einem gewöhnlichen optischen Teleskop beobachtet und bekommt man eine Ansicht von Objekten direkt aus einem Okular. Diese Art von Teleskop kann nur zum Betrachten und nicht zum Fotografieren verwendet werden. Das Lichtwegprinzip ist in 1 gezeigt, wobei ein paralleles Strahlenbündel durch eine Objektivlinse 1 durchgelassen wird und ein Bild auf der Fokalebene des Fokus F' ausbildet, und ein menschliches Auge 3 sieht und betrachtet durch ein Okular 2.
  • Um mit einem Teleskop zu betrachten und zu fotografieren, muss ein Spektroskop vor dem Fokus F' in 1 eingefügt werden, wodurch ein Strahlenbündel in zwei Strahlen auf der Strahlteilungsebene geteilt wird, wobei einer zum Okular 2 für Sichtbetrachtung durchgelassen wird, während der andere zu einem Bildsensor 7 (siehe 3) zum Fotografieren reflektiert wird. 2(a) ist eine Prinzipskizze eines Lichtwegs ohne das Spektroskop, wobei ein einfallendes paralleles Strahlenbündel durch die Objektivlinse 1 durchgelassen wird und konvergiert und ein Bild auf der Fokalebene des Fokus F' ausbildet. 2(b) ist eine Prinzipskizze eines Lichtwegs mit dem Spektroskop, wobei ein traditionelles Würfelprisma-Spektroskop zwischen der Objektivlinse 1 und dem Fokus F' eingefügt ist. Dieses Spektroskop besteht aus zwei rechtwinkligen Prismen 6, welche zusammengeklebt sind, und die geklebte schiefe Ebene dazwischen ist mit einem Strahlteilungsfilm 5 plattiert, welcher ein Strahlenbündel in zwei Strahlen auf der Strahlteilungsebene teilt, wobei einer durchgelassen wird, während der andere reflektiert wird. Bei Hinzufügung eines Würfelprisma-Spektroskops ist wegen der Differenz zwischen dem Brechungsindex des Strahlteilungsprismas nglas und dem von Luft n (im Allgemeinen ist der Brechungsindex von Luft n ungefähr 1, während der von Glas nglas ungefähr 1,5 ist) der Lichtweg durch ein Glas mit der Dicke L gleich L/nglas = L/1,5 = 0,67 L, wenn das Spektroskop im Lichtweg die Dicke L hat, mit einer Lichtwegdifferenz Δ = L – L/nglas = 0,33 L verglichen mit dem Lichtweg ohne Spektroskop, das heißt, die Bildebene muss um 0,33 L nach hinten bewegt werden. Je dicker das Strahlteilungsprisma ist, desto größer wird die Lichtwegdifferenz und desto weiter muss die Bildebene bewegt werden.
  • Ein Digitalteleskop kann realisiert werden, indem von dem obigen Strahlteilungsprinzip Gebrauch gemacht wird, das heißt, ein Würfelprisma-Spektroskop wird zwischen der Objektivlinse und dem Fokus F' eingefügt, so dass das durch die Objektivlinse durchgelassene Strahlenbündel in zwei Strahlen auf der Strahlteilungsfläche des Spektroskops geteilt wird, wobei einer zum Okular für Sichtbetrachtung durchgelassen wird, während der andere zum optischen Bildsensor zum Fotografieren reflektiert wird, wie in 3 gezeigt. Es gibt zwei Methoden, das Würfelprisma-Spektroskop zu konfigurieren: die eine besteht darin, das Spektroskop im konvergenten Lichtweg zu befestigen, während die andere darin besteht, das Spektroskop unter Verwendung eines Bewegungs- oder Drehmechanismus im Teleskop zu installieren und das Umschalten zwischen reinem Betrachten und Fotografieren zu realisieren, indem das Spektroskop in den Lichtweg und daraus heraus bewegt wird.
  • Der Stand der Technik hat Nachteile in drei Aspekten hinsichtlich des Würfelprismas aus Sicht des Spektroskops selbst:
    • 1. Eine große Abmessung ist erforderlich, die Strahlteilungsfläche muss mit einem Strahlteilungsfilm plattiert werden, was schwierig durchzuführen ist, und die Kosten von Präzisionsprismenmaterialien sind sehr hoch.
    • 2. Der plattierte Strahlteilungsfilm unterliegt Farbverschiebung und Strahlverlust.
    • 3. Aufgrund der großen Abmessung wird beim Bewegen in den Lichtweg und daraus heraus eine große Lichtwegdifferenz erzeugt.
  • Was die zwei Methoden betrifft, das Würfelprisma-Spektroskop zu konfigurieren, so wird das Spektroskop nach der ersten Methode nicht nur für Sichtbetrachtung, sondern auch zum Fotografieren im Lichtweg befestigt, wodurch der durch die Objektivlinse durchgelassene Strahl in zwei Strahlen geteilt wird, welche für Sichtbetrachtung bzw. zum Fotografieren verwendet werden können, und als Folge gibt es einen großen Verlust an Lichtenergie, was das Betrachten und Fotografieren beeinträchtigt; das Spektroskop nach der zweiten Methode muss zum Fotografieren in den Lichtweg bewegt werden und zum reinen Betrachten aus dem Lichtweg heraus bewegt werden, was den Lichtenergieverlust reduzieren kann und das reine Betrachten viel klarer machen kann, doch wird eine Lichtwegdifferenz im Sichtbetrachtungs-Lichtweg erzeugt, wenn das Spektroskop in den Lichtweg und daraus heraus bewegt wird, weshalb das Okular neu fokussiert werden muss. Offensichtlich haben beide Methoden klare Nachteile.
  • INHALT DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung stellt eine Spektrometeranordnung bereit, die in einem konvergenten Lichtweg eines optischen Abbildungssystems verwendet wird und die gestaltet ist, die Lichtwegdifferenz zu beseitigen, wenn das Spektroskop in den konvergenten Lichtweg und daraus heraus bewegt wird, um Neufokussierung des Okulars zu vermeiden.
  • Eine technische Lösung der vorliegenden Erfindung, mit der das oben erwähnte Ziel erreicht wird, ist wie folgt: eine Spektrometeranordnung ohne Lichtwegdifferenz, die in einem konvergenten Lichtweg eines optischen Abbildungssystems verwendet wird, umfasst ein zwischen einer Objektivlinse und einem Fokus F' des konvergenten Lichtwegs eingefügtes Spektroskop; das Spektroskop ist ein Reflexionsspiegel, dessen Reflexionsfläche und die optische Achse einen Winkel bilden; der Reflexionsspiegel ist mit einem Durchgangsloch versehen; und ein Teil des durch die Objektivlinse durchgelassenen Strahlenbündels geht vor fokussierter Abbildung durch das Durchgangsloch hindurch, während der andere Teil vor fokussierter Abbildung von der Reflexionsfläche reflektiert wird.
  • Die Erläuterung der relevanten Inhalte der obigen technischen Lösung ist wie folgt:
    • 1. Bei der obigen Lösung liegt das Durchgangsloch des Reflexionsspiegels vorzugsweise im Zentrum des Reflexionsspiegels, wobei die Achse des Durchgangslochs mit der optischen Achse zusammenfällt.
    • 2. Um den Aufbau bei der obigen Lösung zu vereinfachen, bilden die Achse des Durchgangslochs des Reflexionsspiegels und die Reflexionsfläche einen 45-Grad-Winkel.
    • 3. Bei der obigen Lösung kann der Reflexionsspiegel aus einer flachen Linse bestehen, wobei seine Reflexionsfläche mit einem Totalreflexionsfilm plattiert ist; und die flache Linse kann aus Glas oder anderen Materialien bestehen.
    • 4. Bei der obigen Lösung wird der Reflexionsspiegel von einem Bewegungs- oder Drehmechanismus getragen und kann zwischen den zwei Betriebsarten umgeschaltet werden, indem er in den Lichtweg und daraus heraus bewegt wird, um reines Betrachten und Fotografieren durchzuführen; und der Reflexionsspiegel kann auch im Lichtweg befestigt sein.
    • 5. Der Durchmesser d des zentralen Durchgangslochs auf dem Reflexionsspiegel sollte in Übereinstimmung mit dem Verhältnis der Durchgangslochfläche zu einer Leuchtfleckfläche, die von einem Objektivlinsen-Abbildungsstrahlenbündel auf dem Reflexionsspiegel geschnitten wird, auf Basis von unterschiedlichen Anforderungen von Sichtbetrachtung und Fotografieren an die Helligkeit festgelegt werden, wobei ein passendes Verhältnis normalerweise von 5% bis 30% reicht und vorzugsweise ungefähr 10% ist.
  • Das Arbeitsprinzip der vorliegenden Erfindung ist wie folgt: wie in 6(a) gezeigt, wird der Reflexionsspiegel mit dem zentralen Loch in den Lichtweg bewegt, und der Strahl im Zentrum des Lichtwegs geht durch das zentrale Loch hindurch und erreicht die Fokalebene (siehe den schraffierten Teil in 6(a)), während der größte Teil des restlichen Strahlenbündels von der Reflexionsfläche des Leuchtflecks außerhalb des zentralen Lochs des Reflexionsspiegels reflektiert wird und den anderen Strahl ausbildet (siehe den schraffierten Teil in 6(b)). Durch Vergleich von 6(a) mit 6(b) erkennt man, dass die zwei Strahlen die gleiche Strecke von der Strahlteilungsfläche zur Bildebene zurücklegen, d.h. L1 = L2. Wird die Anordnung bloß für Sichtbetrachtung verwendet, so wird der Reflexionsspiegel aus dem Lichtweg heraus bewegt, wobei das durch die Objektivlinse durchgelassene Strahlenbündel nicht durch das zentrale Loch des Reflexionsspiegels begrenzt wird, und bildet gänzlich ein Bild im Gesichtsfeld des Okulars aus, welches hell genug sein kann. Wird die Anordnung zum Fotografieren verwendet, so wird der Reflexionsspiegel mit dem zentralen Loch in den Lichtweg bewegt, wobei das Strahlenbündel in zwei Strahlen geteilt wird, wobei der eine durch das zentrale Loch hindurchgeht und ein Bild im Gesichtsfeld des Okulars für Sichtbetrachtung ausbildet, während der andere von der Reflexionsfläche reflektiert wird, wobei ungefähr 90% davon den Bildsensor erreichen kann, mit genügend Strahlenbündel zum Fotografieren. Während des ganzen Prozesses, in dem der Reflexionsspiegel mit dem zentralen Loch in den Lichtweg und daraus heraus bewegt wird, ist der Lichtweg im Sicht-Lichtweg gleich, ohne sich zu ändern und ohne eine Lichtwegdifferenz zu erzeugen, und daher ist dies ein Spektrometersystem ohne Lichtwegdifferenz.
  • Wegen der Anwendung der obigen technischen Lösung hat die vorliegende Erfindung die folgenden Vorteile und Wirkungen verglichen mit dem Stand der Technik:
    • 1. Das Spektroskop der vorliegenden Erfindung ist leicht herzustellen, und im Lichtweg kann Strahlteilung bloß mit einem Stück Flachglas mit einem zentralen Loch realisiert werden, das auf einer Seite mit einem Totalreflexionsfilm plattiert ist.
    • 2. Das Spektroskop der vorliegenden Erfindung ist bloß mit einem Totalreflexionsfilm plattiert, was verhindert, dass das geteilte Strahlenbündel Farbverschiebung erzeugt.
    • 3. Bei der vorliegenden Erfindung wird keine Lichtwegdifferenz erzeugt, wenn das Spektroskop in den Lichtweg und daraus heraus bewegt wird, und während Sichtbetrachtung ist keine Neufokussierung nötig.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Es folgt eine nähere Beschreibung der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnungen und Ausführungsbeispiele.
  • 1 ist eine Prinzipskizze eines Lichtwegs eines Teleskops.
  • 2(a) ist eine Prinzipskizze eines Lichtwegs eines bekannten Teleskops, wenn das Spektroskop heraus bewegt ist.
  • 2(b) ist eine Prinzipskizze eines Lichtwegs eines bekannten Teleskops, wenn das Spektroskop hinein bewegt ist.
  • 3 ist eine Prinzipskizze eines Digitalteleskops.
  • 4 ist eine Schnittansicht des Reflexionsspiegels mit dem Loch bei der vorliegenden Erfindung.
  • 5 ist eine Ansicht von 4 von links.
  • 6(a) ist eine Prinzipskizze der Strahlteilung bei der vorliegenden Erfindung ohne Lichtwegdifferenz (1).
  • 6(b) ist eine Prinzipskizze der Strahlteilung bei der vorliegenden Erfindung ohne Lichtwegdifferenz (2).
  • 7 ist eine Prinzipskizze des Lichtwegs, wenn die vorliegende Erfindung auf ein Digitalteleskop angewandt wird.
  • 8 ist eine Verteilungsskizze des A-orientierten geteilten Strahlenbündels in 7.
  • In den Zeichnungen zeigen: 1. Objektivlinse; 2. Okular; 3. menschliches Auge; 4. Lichtwegdifferenz; 5. Strahlteilungsfilm: 6. rechtwinkliges Prisma; 7. Bildsensor; 8 Reflexionsspiegel; 9. Durchgangsloch; 10 Totalreflexionsfilm; 11. Querschnitt des reflektierten Strahlenbündels; 12. optische Achse.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
  • Ausführungsbeispiel: Wie in 7 gezeigt, umfasst eine Spektrometeranordnung ohne Lichtwegdifferenz, die in einem Digitalteleskop verwendet wird, ein zwischen einer Objektivlinse 1 und einem Fokus F' des konvergenten Lichtwegs eingefügtes Spektroskop. Wie in 4 und 5 gezeigt, ist das Spektroskop ein Reflexionsspiegel 8, welcher im Zentrum mit einem Durchgangsloch 9 versehen ist, dessen Achse mit der optischen Achse 12 zusammentrifft und einen 45°-Winkel mit dem Reflexionsspiegel 8 bildet. Der Reflexionsspiegel 8 besteht aus Flachglas, wobei seine Reflexionsfläche mit einem Totalreflexionsfilm 10 plattiert ist (siehe 4). Der Durchmesser d des zentralen Durchgangslochs 9 auf dem Reflexionsspiegel 8 sollte in Übereinstimmung mit dem Verhältnis der Lochfläche zu einer Leuchtfleckfläche, die von einem Objektivlinsen-Abbildungsstrahlenbündel auf dem Spektroskop geschnitten wird, mit einem passenden Verhältnis von im Allgemeinen ungefähr 10% festgelegt werden. Um mit einem Digitalteleskop reines Betrachten bzw. Fotografieren durchzuführen, wird der Reflexionsspiegel 8 von einem Bewegungs- oder Drehmechanismus getragen und kann zwischen den zwei Betriebsarten umgeschaltet werden, indem er in den Lichtweg und daraus heraus bewegt wird. Wird die Anordnung bloß für Sichtbetrachtung verwendet, so wird der Reflexionsspiegel 8 mit dem Bewegungs- oder Drehmechanismus aus dem Lichtweg heraus bewegt, wobei das durch die Objektivlinse 1 durchgelassene Strahlenbündel nicht durch das zentrale Durchgangsloch 9 des Reflexionsspiegels 8 begrenzt wird, und bildet gänzlich ein Bild im Gesichtsfeld des Okulars 2 aus, welches hell genug sein kann, wie in 1 gezeigt. Wird die Anordnung zum Fotografieren verwendet, so wird der Reflexionsspiegel 8 mit dem Durchgangsloch 9 im Zentrum in den Lichtweg bewegt, wobei das Strahlenbündel in zwei Strahlen geteilt wird, wobei der eine durch das zentrale Durchgangsloch 9 hindurchgeht und ein Bild im Gesichtsfeld des Okulars 2 für Sichtbetrachtung ausbildet (siehe den schraffierten Teil in 6(a)), während ungefähr 90% des anderen, von der Reflexionsfläche reflektierten Strahls den Bildsensor 7 erreichen kann, mit genügend Strahlenbündel zum Fotografieren (siehe den schraffierten Teil in 6(b)). Während des ganzen Prozesses, in dem der Reflexionsspiegel 8 mit dem zentralen Durchgangsloch 9 in den Lichtweg und daraus heraus bewegt wird, ändert sich der Lichtweg des Sicht-Lichtwegs nicht. 8 ist eine Verteilungsskizze des A-orientierten geteilten Strahlenbündels in 7, wobei der schraffierte Teil den Querschnitt 11 des reflektierten Strahlenbündels anzeigt.
  • Die vorliegende Erfindung kann außer in Digitalteleskopen auch in anderen, ähnlichen konvergenten Lichtwegen verwendet werden, um die Erzeugung von Lichtwegdifferenz während spektroskopischem Umschalten zu vermeiden.
  • Das obige Ausführungsbeispiel wird nur zur Erläuterung des technischen Konzepts und der Merkmale der vorliegenden Erfindung verwendet. Es ist so gestaltet, dass der Fachmann die vorliegende Erfindung verstehen und realisieren kann, und kann daher den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung nicht beschränken. Alle äquivalenten Änderungen oder Modifizierungen in Übereinstimmung mit dem Geist der vorliegenden Erfindung sollen in den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung fallen.
  • Zusammenfassung
  • Offenbart wird eine Spektrometeranordnung ohne Lichtwegdifferenz, die in einem konvergenten Lichtweg eines optischen Abbildungssystems verwendet wird und welche ein zwischen einer Objektivlinse und einem Fokus F' des konvergenten Lichtwegs eingefügtes Spektroskop aufweist. Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass das Spektroskop ein Reflexionsspiegel ist, dessen Reflexionsfläche und die optische Achse einen Winkel bilden und welcher mit einem Durchgangsloch versehen ist, wobei ein Teil des durch die Objektivlinse durchgelassenen Strahlenbündels vor fokussierter Abbildung durch das Durchgangsloch hindurchgeht, während der andere Teil vor fokussierter Abbildung von der Reflexionsfläche reflektiert wird. Wird das Digitalteleskop bloß für Sichtbetrachtung verwendet, so wird der Reflexionsspiegel mit dem Loch aus dem Lichtweg heraus bewegt, so dass das durch die Objektivlinse durchgelassene Strahlenbündel gänzlich in den Lichtweg der Sichtbetrachtung eintritt, was das Gesichtsfeld hell genug macht. Wird das Digitalteleskop für Digitalfotografie verwendet, so wird der Reflexionsspiegel mit dem Loch in den Lichtweg bewegt und teilt das Strahlenbündel in zwei Strahlen, wobei der eine durch das zentrale Loch des Reflexionsspiegels hindurchgeht und das Okular für Sichtbetrachtung erreicht, während der andere von der Reflexionsfläche außerhalb des Lochs reflektiert wird und den Bildsensor zum Fotografieren erreicht. Der Lichtweg zwischen der Objektivlinse und den Okular (die Strecke, die ein Strahlenbündel zurücklegt, wird Lichtweg genannt) ändert sich während des Prozesses, in dem der Reflexionsspiegel mit dem Loch in den Lichtweg und daraus heraus bewegt wird, nicht, das Okular muss während des Umschaltens zwischen Betrachten und Fotografieren nicht neu fokussiert werden, und daher ist dies eine Spektrometeranordnung ohne Lichtwegdifferenz.

Claims (7)

  1. Spektrometeranordnung ohne Lichtwegdifferenz, die in einem konvergenten Lichtweg eines optischen Abbildungssystems verwendet wird, mit einem zwischen einer Objektivlinse und einem Fokus F' des konvergenten Lichtwegs eingefügten Spektroskop, wobei das Spektroskop ein Reflexionsspiegel ist, dessen Reflexionsfläche und die optische Achse einen Winkel bilden und welcher mit einem Durchgangsloch versehen ist, wobei ein Teil des durch die Objektivlinse durchgelassenen Strahlenbündels vor fokussierter Abbildung durch das Durchgangsloch hindurchgeht, während der andere Teil vor fokussierter Abbildung von der Reflexionsfläche reflektiert wird.
  2. Spektrometeranordnung ohne Lichtwegdifferenz, die in einem konvergenten Lichtweg eines optischen Abbildungssystems verwendet wird, gemäß Anspruch 1, wobei das Durchgangsloch des Refexionsspiegels im Zentrum des Reflexionsspiegels liegt, wobei die Achse des Durchgangslochs mit der optischen Achse zusammenfällt.
  3. Spektrometeranordnung ohne Lichtwegdifferenz, die in einem konvergenten Lichtweg eines optischen Abbildungssystems verwendet wird, gemäß Anspruch 1, wobei die Achse des Durchgangslochs des Reflexionsspiegels und die Reflexionsfläche einen 45-Grad-Winkel bilden.
  4. Spektrometeranordnung ohne Lichtwegdifferenz, die in einem konvergenten Lichtweg eines optischen Abbildungssystems verwendet wird, gemäß Anspruch 1, wobei der Reflexionsspiegel eine flache Linse aufweist, wobei seine Reflexionsfläche mit einem Totalreflexionsfilm plattiert ist.
  5. Spektrometeranordnung ohne Lichtwegdifferenz, die in einem konvergenten Lichtweg eines optischen Abbildungssystems verwendet wird, gemäß Anspruch 1, wobei der Durchmesser d des Durchgangslochs auf dem Reflexionsspiegel in Übereinstimmung mit dem Verhältnis der Durchgangslochfläche zu einer Leuchtfleckfläche, die von einem Objektivlinsen-Abbildungsstrahlenbündel auf dem Reflexionsspiegel geschnitten wird, festzulegen ist, wobei das Verhältnis von 5% bis 30% reicht.
  6. Spektrometeranordnung ohne Lichtwegdifferenz, die in einem konvergenten Lichtweg eines optischen Abbildungssystems verwendet wird, gemäß Anspruch 1, wobei der Reflexionsspiegel von einem Bewegungs- oder Drehmechanismus getragen wird und zwischen den zwei Betriebsarten umgeschaltet werden kann, indem er in den Lichtweg und daraus heraus bewegt wird.
  7. Spektrometeranordnung ohne Lichtwegdifferenz, die in einem konvergenten Lichtweg eines optischen Abbildungssystems verwendet wird, gemäß Anspruch 1, wobei der Reflexionsspiegel im Lichtweg befestigt ist.
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