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GEBIET DER
ERFINDUNG
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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.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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INHALT DER
ERFINDUNG
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Es
folgt eine nähere
Beschreibung der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnungen und
Ausführungsbeispiele.
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1 ist
eine Prinzipskizze eines Lichtwegs eines Teleskops.
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2(a) ist eine Prinzipskizze eines Lichtwegs
eines bekannten Teleskops, wenn das Spektroskop heraus bewegt ist.
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2(b) ist eine Prinzipskizze eines Lichtwegs
eines bekannten Teleskops, wenn das Spektroskop hinein bewegt ist.
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3 ist
eine Prinzipskizze eines Digitalteleskops.
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4 ist
eine Schnittansicht des Reflexionsspiegels mit dem Loch bei der
vorliegenden Erfindung.
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5 ist
eine Ansicht von 4 von links.
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6(a) ist eine Prinzipskizze der Strahlteilung
bei der vorliegenden Erfindung ohne Lichtwegdifferenz (1).
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6(b) ist eine Prinzipskizze der Strahlteilung
bei der vorliegenden Erfindung ohne Lichtwegdifferenz (2).
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7 ist
eine Prinzipskizze des Lichtwegs, wenn die vorliegende Erfindung
auf ein Digitalteleskop angewandt wird.
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8 ist
eine Verteilungsskizze des A-orientierten geteilten Strahlenbündels in 7.
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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.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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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.
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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.
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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.
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Zusammenfassung
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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.