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Die Erfindung betrifft eine optische Abbildungsvorrichtung mit Hilfe
von stimulierter Strahlung, welche in einem stimulierbaren Medium innerhalb eines
optischen Resonators mit isotropen Ausbreitungseigenschaften in einem bestimmten
Raumwinkelbereich erzeugt wird, der von zwei konkaven, wenig durchlässigen Spiegeln
begrenzt ist.
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Reflexionssysteme für stimulierbare Medien, deren optischer Resonator
aus konkaven oder ebenen Spiegeln gebildet wird, sind bekannt. Bei diesen bekannten
Anordnungen dient der so gebildete optische Resonator lediglich zur Erzeugung von
Vielfachreflexionen, um eine erforderliche Lichtenergiedichte zur Aufrechterhaltung
der Erzeugung kohärenter Strahlen zu erhalten. Diese optischen Resonatoren sind
dabei so ausgelegt, daß eine maximale Ausstrahlung eines einzigen Lichtwellentyps
stattfindet. Die Anregung eines Wellentyps stellt eine grundlegende Eigenschaft
bei Verwendung von optischen Verstärkern und Sendern dar. Darüber hinaus sind bei
diesen bekannten Spiegelsystemen die in allen Flächenbereichen der Spiegel auftretenden
Feldamplituden im wesentlichen gleich.
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Die Verwendung solcher optischer Sender und Verstärker zur Darstellung
von Abbildungen ist nun aber nicht so ohne weiteres möglich, da die Ausgangsstrahlung
stimulierter Medien im allgemeinen scharf gebündelt ist und in einer einzigen Richtung
abgestrahlt wird. Es wurde für diesen Anwendungszweck bereits ein optischer Resonator
mit indifferenter optischer Achse vorgeschlagen, der es ermöglicht, einen größeren
Winkelbereich zu überstreichen. Darüber hinaus besteht die Aufgabe der Erfindung
darin, zur Abbildung von Darstellungen bzw. Objekten mit Hilfe stimulierter Strahlen
eine Anordnung zu schaffen, deren Aufwand möglichst gering gehalten wird. Erfindungsgemäß
wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß bestimmte Ausbreitungsrichtungen dadurch unterdrückt
sind, daß die Reflektivität des einen Spiegels partiell durch abzubildende Muster
(Abblendmittel) herabgesetzt ist.
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Bei dem hierzu verwendeten optischen Sender und Verstärker ist die
Begrenzung des stimulierbaren Mediums und der durch die konkaven Spiegel begrenzte
Resonator so gewählt, daß verschiedene Wellentypen gleicher Amplitude im optischen
Resonator entstehen. Das wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß einer der Spiegel
des optischen Resonators so angesehen werden kann, als ob er in schmale Unterbereiche
eingeteilt ist, worin jeder Flächenbereich einen Wellentyp erzeugt, so daß die stimulierte
Strahlung in gleicher Weise an jedem Flächenbereich auftreten kann. Die stimulierte
Eigenschwingung wird durch die Brechungstransformation bestimmt, die in der Theorie
der kohärenten Bildentstehung angewendet wird.
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Auf diese Weise wird die Feldamplitude an einer Spiegeloberfläche
durch Brechungstransformation in ähnliche, aber nicht identische Amplituden auf
der anderen Spiegeloberfläche, die auf der gegenüberliegenden Seite des optischen
Resonators angebracht ist, umgewandelt.
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Mit Hilfe der genannten Fokussierungsmittel werden also kleine Objekte,
die die stimulierte Strahlung innerhalb des optischen Resonators durch ihre Lage
an einer Spiegeloberfläche mehr oder weniger absorbieren, abgebildet. Die auf diese
Weise erzielten Abbildungen besitzen ein Auflösungsvermögen der Kantendetails, das
wesentlich größer ist als das Auflösungsvermögen, das überlicherweise mit bekannten
optischen Mitteln erzielt wird, wobei die Brechungserscheinungen unterhalb einer
bestimmten Grenze störend sind. Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen
Anordnung wird die Abbildungsdarstellung durch Einsatz von Zeichenmasken in den
optischen Resonator oder durch Einbringen bestimmter Objekte in diesen Resonator
oder mit Hilfe von elektrooptischen Kristallen, wie z. B. Kerr-Zellen, erzielt,
die rasterförmig angeordnet sind und wahlweise so angesteuert werden, daß nur eine
bestimmte Anzahl von ihnen durch die vorher polarisierte stimulierte Ausgangsstrahlung
des stimulierbaren Mediums durchlässig sind. Es handelt sich hier aber nicht um
eine Modulationsvorrichtung, bei der nur in eine einzige Richtung bevorzugt ausgestrahlt
wird. Zusammenfassend läßt sich sagen, daß bei der erfindungsgemäßen Anordnung das
Reflexionsvermögen ausgewählter Bereiche eines der Konkavspiegel des optischen Resonators
gestört oder in anderer Weise beeinflußt wird, so daß die stimulierte Strahlung
sich nur in vorher bestimmten Bereichen aufbauen kann.
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Weitere Vorteile der Erfindung und der der Erfindung zugrunde liegenden
Teilaufgaben ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der die Erfindung
an Hand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe der nachstehend aufgeführten Zeichnungen
näher erläutert werden soll. Es zeigt F i g. 1 die bei der Durchführung der Erfindung
angewendete optische Sende- und Verstärkervorriehtung, F i g. 2 eine gegenüber F
i g. 1 abgewandelte optische Sende- und Verstärkervorrichtung, F i g. 3 a, 3 b und
3 c Zeichenmasken, die in Anordnung gemäß der Erfindung verwendet werden, F i g.
4 eine elektrostatisch betätigte Maskenvorrichtung, die einem Konkavspiegel zugeordnet
ist, F i g. 5 eine an sich bekannte Vorrichtung zur Steuerung des Durchgangs eines
stimulierten Strahls mit Hilfe einer Kerr-Zelle, F i g. 6 eine elektrooptisch gesteuerte
Maskenvorrichtung, F i g. 7 eine Spiegelfläche mit Maskenvorrichtung, F i g. 8 ein
weiteres Ausführungsbeispiel für eine Anordnung gemäß der Erfindung.
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In F i g. 1 besteht das stimulierbare Medium 2 aus einem Helium-Neon-Gemisch
für den vorzugsweise stetig betriebenen optischen Sender oder Verstärker. Selbstverständlich
können auch andere bekannte stimulierbare Medien verwendet werden. Zur Zuführung
der Anregungsenergie zum stimulierbaren Medium 2 dient eine Anregungslichtquelle
4. Die Spiegel 6 und 8 besitzen hochreflektierende Oberflächen, die die stimulierte
Strahlung des stimulierbaren Mediums 2 immer wieder in das stimulierbare Medium
2 zurückwerfen, so daß ein Punkt P auf Spiegel 6 ununterbrochen am Punkt Q auf Spiegel
8 abgebildet wird und in sich selbst am Punkt P zurückreflektiert wird. Ein solcher
Aufbau reflektierter Wellen ist erforderlich, um eine verhältnismäßig hohe Lichtenergiedichte
bereitzustellen, so daß die Stimulation aufrechterhalten wird. Durchsichtige Antireflexionsbeläge
10 und 12 sind auf den Stirnflächen des Entladungsrohres, das das stimulierbare
gasförmige Medium enthält, aufgebracht, um Energieverluste beim Durchgang der reflektierten
stimulierten
Strahlung durch das stimulierbare Medium so gering
wie möglich zu halten. Eine Linse 14 dient dazu, eine an der Oberfläche des Spiegels
6 sich ergebende Lichtverteilung auf dem Spiegel 8 abzubilden. Außerdem wird hierdurch
wieder eine Abbildung auf Spiegel 8 am Ursprungsort auf dem Spiegel
6 genau abgebildet. Wenn nun eine Maske 1.6 mit einer Öffnung so ausgebildet
und angeordnet ist, daß sie über die Spiegeloberfläche gleiten kann, und das Reflexionsvermögen
des Spiegels 6 außer bei der genannten Öffnung unwirksam wird, dann wird die Abbildung
dieser Öffnung auf dem Spiegel 8 erscheinen. Die Entfernungsbeziehungen der Spiegel
6 und 8 und der Linse 14 ergeben sich aus der bekannten optischen Beziehung:
Hierin ist f die Brennweite der Linse 14, und R1 und R., sind die jeweiligen
Radien der gekrümmten Spiegel 6 und B.
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Beide Oberflächen der Linse 14 besitzen ebenfalls einen Antireflexbelag,
um Energieverluste beim Durchgang durch die Linse 14 zu vermeiden. Für das Prinzip
der Erfindung an sich sind diese Beläge allerdings nicht erforderlich. Minimale
Bereiche hohen Reflexionsvermögens für bestimmte stimulierte Schwingungen hängen
nun aber vom Verstärkungsfaktor des jeweils verwendeten stimulierbaren Mediums ab.
Ein aus Helium-Neon gebildetes stimulierbares Medium läßt stimulierte Schwingungen
noch auf einem Flächenbereich entstehen, dessen Durchmesser etwa 21/2mal so groß
ist wie der eines Beugungsscheibchens. Der Durchmesser eines Beugungsscheibchens
ergibt sich bekanntlich zu:
worin d die Wellenlänge, R der Abstand des Spiegels 6 von der Linse 14 und a der
Durchmesser der über das stimulierbare Medium 2 wirksamen Öffnung der Linse
14 ist.
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Für Helium-Neon entspricht dieser Durchmesser ungefähr dem des Gefäßes,
das das Helium-Neon-Gas einschließt.
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In der Darstellung nach F i g. 2 ist die Linse 14
durch einen
weiteren hochreflektierenden Spiegel 18
ersetzt. Die Verwendung eines Spiegels
an Stelle einer Linse drückt die Verluste, hervorgerufen durch den Durchgang durch
die Linse, noch weiter herab, so daß der Wirkungsgrad des Systems als Ganzes angehoben
wird. Die mit einer Öffnung versehene Maske 16 kann mit ihrer Öffnung auf irgendeine
Stelle des Spiegels 6 geschoben werden, um so eine Abbildung der Maskenöffnung auf
den Spiegel 8 zu erhalten. Es versteht sich von selbst, daß die gesamte Ausgangsenergie
des stimulierbaren Mediums 2 in den auf den Spiegel 8 projizierten Abbildungen
der Maskenöffnungen zur Verfügung steht. Demzufolge erfolgen solche Abbildungen
in äußerst monochromatischem Licht, bei einer Helligkeit, die um eine Größenordnung
größer ist, als es mit üblichen Lichtquellen erzielt werden kann.
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Mit den F i g. 3 a, 3 b und 3 c sind beispielsweise Ausführungen von
Masken 16 gezeigt, um hochreflektierende Bereiche des Spiegels 6 in Form
der Öffnungen 3, 5, 7, 9, 11 usw. bereitzustellen, während alle anderen Spiegelbereiche
abgedeckt sind, so daß auf dem Spiegel 8 entweder ein Einzelbild der Öffnung
3 oder mehrere Abbildungen von Maskenöffnungen, wie z. B. 5, 7 usw. oder
9, 11 usw., erscheinen, je nachdem, welche der Masken 16 zur Abdeckung
des Spiegels 6 verwendet wird.
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Die hier gezeigten Masken 16 dienen lediglich dazu, die Wirkungsweise
der Anordnung gemäß der Erfindung zu erläutern, und sollen nicht die Anwendung der
Erfindung hierauf allein beschränken. In F i g. 4 ist ein Abschnitt des Spiegels
6 dargestellt, der elektromechanisch zu betätigende Vorrichtungen zeigt, um wahlweise
bestimmte Spiegelbereiche für eine Reflexion unwirksam machen zu können, so daß
verschiedenförmige Abbildungen auf den Spiegel 8
projiziert werden können.
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Eine Anzahl Stifte 20 sind in den Spiegel 6 isoliert
eingelassen, wobei jedem Stift 20 ein Metallplättchen 22 zugeordnet
ist. Eine hier nicht gezeigte Wandler-Matrix kann in an sich bekannter Weise wahlweise
Potentiale an die Eingangsklemmen 24, die mit den Stiften 20 verbunden
sind, anlegen, wobei beim Auftreten eines Potentials an einer Klemme 24 das
dem Stift 20 zugeordnete Metallplättchen 22 abgestoßen wird, und zwar
in der gleichen Weise wie ein Metallplättchen in einem Elektroskop. Das in dieser
Weise abgestoßene Metallplättchen 22 verhindert nun, daß Licht auf den von
ihm abgedeckten Spiegelbereich einfallen kann, so daß keine Beugungsbilder an diesem
Oberflächenbereich auftreten können, die bei nicht bewegtem Metallplättchen
22 sonst auftreten würden. Mit Hilfe einer solchen Vorrichtung können nun
die verschiedensten Abbildungen auf Spiegel 8
projiziert werden, je nachdem,
welche Stifte 20 ein Potential an ihren jeweils zugeordneten Eingangsklemmen
24 erhalten.
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In F i g. 5 werden elektrooptische Vorrichtungen gezeigt, um wahlweise
bestimmte Oberflächenbereiche eines Spiegels für die Reflexion unwirksam zu machen.
Das Fenster 30 an der Stirnfläche des Gefäßes für das aus Helium-Neon bestehende
stimulierbare Medium ist entsprechend dem Brewsterwinkel iB unter Berücksichtigung
der Beziehung tan iB = n für maximale Polarisation ausgerichtet, wo rc der
Brechungsindex des Fensters 30 ist. Die stimulierte Strahlung 32 trifft
auf das Fenster 30 und wird dort gebrochen, so daß polarisiertes Licht austritt
und auf den elektrooptischen Lichtmodulator oder die Kerr-Zelle einfällt. Bei einer
beispielsweisen Ausführung einer solchen Kerr-Zelle wird eine flache, polierte und
entsprechend orientierte Kristallplatte verwendet, wie z. B. Ammonium-Dihydrogen-Phosphat
oder Kalium-Dihydrogen-Phosphat verwendet. Es können auch andere Kristallmedien
oder flüssige Medien als Kerr-Zelle verwendet werden, wenn sie nur die Eigenschaft
aufweisen, daß die Polarisationsebene der Strahlung 32 gedreht werden kann,
wenn eine Spannung geeigneten Wertes an entgegengesetzte Flächen eines solchen Kristalls
oder flüssigen Mediums angelegt wird. Im vorliegenden Falle sind dünne Metallschichten
38 und 40 (s. F i g. 5 a) an entgegengesetzten Kristalloberflächen
der Kerr-Zelle angebracht, deren Zuleitungen 42 und 44 mit einer entsprechenden
Spannungsquelle verbunden sind.
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Wie aus F i g. 5 hervorgeht, ist eine solche Kerr-Zelle 36 zwischen
dem Spiegel 6 und dem Fenster
30 angeordnet und dient sozusagen
als optischer Verschluß. Ohne anliegende Spannung, die den metallischen Überzügen
38 und 40 zugeführt wird, läßt die Kerrzelle 36 die Strahlung 32 durch,
die in Richtung des gestrichelt gezeichneten Vektors E in F i g. 5 a polarisiert
ist, so daß die Strahlung auf den Spiegel 6 einfallen kann und durch die Kerr-Zelle
36 in das stimulierbare Medium 2 zurückreflektiert wird, ohne daß die Polarisationsebene
gedreht wird, so daß kein Energieverlust beim Durchgang des Strahls 32 durch den
Kristall 36 eintritt. Wird hingegen mit Hilfe der Zuleitungen 42 und 44 eine Spannung
an den Kristall 36 angelegt, dann wird die Polarisationsebene gedreht, so
daß Durchgangsverluste für die vom als Polarisator in bezug auf ein in den Strahlengang
angeordnetes Polarisationsmedium wirkendes Polarisationswinkelfenster 30 ausgehende
Strahlung entstehen läßt. Die Durchgangsverluste reichen aus, die Ausbildung einer
stimulierten Eigenschwingung zu verhindern bzw. zu unterdrücken. Auf diese Weise
wird das Reflexionsvermögen eines Bereiches des Spiegels 6 je nach dem Zustand der
Kerr-Zelle 36 geändert.
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Es versteht sich von selbst, daß die Kerr-Zelle 36 andererseits so
orientiert werden kann, daß die Polarisationsebene des Lichtstrahls 32 gedreht wird,
wenn keine Spannung an den metallischen überzügen 38 und 40 anliegt,
um zu verhindern, daß wiederholte Reflexionen durch die Kerr-Zelle 36 übertragen
werden können. Wenn jetzt eine Spannung in beschriebener Weise an die Kerr-Zelle
36 angelegt wird, dann wird die Polarisationsebene des Strahls 32 gedreht, so daß
die obengenannten Durchgangsverluste reduziert werden und sich eine stimulierte
Schwingung aufbauen kann. Somit kann also eine an die metallischen überzüge 38 und
40 angelegte Spannung dazu dienen, um eine Abblendung oder einen verlustfreien Durchgang
zu erzielen, je nachdem, in welcher Weise die Kerr-Zelle 36 mit dem Fenster
30 zusammenwirkt. Insoweit, als -die durch die Kerr-Zelle 36 hervorgerufene
Polarisationsdrehung lediglich dazu dienen soll, um den Aufbau stimulierter Schwingungen
zu verhindern, kann die hierfür erforderliche, an die Kerr-Zelle 36 angelegte, elektrische
Energie beträchtlich geringer sein als in dem Fall, wo eine 90°-Drehung der Polarisationsebene
erfolgen soll, die sonst für eine 100b/uige Abblendung eines zugeführten Lichtstrahls
erforderlich wäre, der durch einen Polarisator und eine Kerr-Zelle 36 geleitet wird.
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In der Anordnung nach F i g. 6 sind die Kerr-Zellen 36 auf einer Fläche
verteilt, wobei eine über die andere Kerr-Zelle in Richtung des jeweils einfallenden
Strahls versetzt angeordnet ist, um eine möglichst hohe Dichte solcher Kerr-Zellen
36 erzielen zu können, so daß eine Matrix aus Kerr-Zellen 36 gebildet wird, die
eine möglichst hohe Auflösung der Abbildung auf eine der Spiegelflächen 6 oder 8
gestattet. Diese Kerr-Zellen 36 werden in einer Entfernung, die bis zu einem Zehntel
des Krümmungsradius der zugeordneten Spiegeloberfläche 6 betragen kann, von dieser
Spiegeloberfläche angeordnet, so daß weitgehend verhindert wird, daß eine bestimmte
Kerr-Zelle durch Streufelder benachbarter Kerr-Zellen beeinflußt wird. Die jeweiligen
Zuführungen 42 und 44, die von außen an die entsprechenden metallischen
Überzüge 38 und 40 angelegt sind, können dabei jeweils so angeordnet sein, daß sie
jeweils parallel zu den Kristallkanten verlaufen und so ihr Einfluß auf die hochreflektierenden
Spiegelbereiche für die Strahlen 32 im wesentlichen vernachlässigbar ist.
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In F i g. 7 ist eine Matrix gezeigt, die aus 8 - 8 Kerr-Zellen 36
aufgebaut ist und beispielsweise den Buchstaben E darstellt. Das Raster 45 dieser
Matrix zeigt also an, daß die gesamte Oberfläche des Spiegels 6 reflektierend ist,
wenn kein Potential an irgendeine der Kerr-Zellen 36 angelegt ist. Eine Abbildung
entsteht, wenn Potentiale an entsprechend gewählte elektrooptische Kristalle 36
angelegt werden, so daß entsprechend bestimmte Oberflächenbereiche des Spiegels
6 für die Reflexion unwirksam gemacht werden. Auf diese Weise erscheint eine Abbildung,
so wie in diesem Fall der Buchstabe E, als dunkle Darstellung auf hellem Untergrund.
Ein solches Raster, gebildet aus einer Matrix von 8 - 8 oder 10 - 10 Kerr-Zellen,
besitzt damit eine entsprechende Anzahl von Auflösungspunkten, die jeweils gesondert
angesteuert werden können, wobei mit an sich bekannten Mitteln eine Zeichenumschaltzeit
in der Größenordnung von 10 Mikrosekunden erreicht wird; so daß sich eine Zeichenfolge
von 105 Abbildungen pro Sekunde erzielen läßt. Die Energie zur Rasterpunktauswahl
beträgt 0,1 Mikrojoules oder weniger, um eine Kerr-Zelle 36 wirksam zu machen.
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F i g. 8 zeigt ein Anwendungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung
auf dem Gebiet der Mikroskopie. In dieser Darstellung ist ein stimulierbares Festkörpermedium
50, wie z. B. Rubin oder mit Neodym dotiertes Glas, und eine das Festkörpermedium
50 umgebende Blitzlampe 52 zur Zuführung der Anregungsenergie vorgesehen.
Der Reflektor 51 fokussiert das von der Blitzlampe 52 ausgehende Licht auf das Festkörpermedium
50. Die Oberfläche 64 des stimulierbaren Mediums besteht aus einer hochreflektierenden
Kugelfläche, die zugleich den einen Spiegel des optischen Resonators bildet. Die
andere kugelförmige Oberfläche 63 des kristallinen stimulierbaren Mediums ist vollkommen
durchlässig, dafür ist aber in einem bestimmten Abstand hiervon ein konzentrisch
verlaufender Konkavspiegel 54 angebracht. Auf diese Weise wird erreicht, daß ein
darzustellendes Objekt 56 in die Abbildungslage gebracht werden kann, wobei dann
der Spiegel 54 gleichzeitig als Objektträger dient. Die Spiegelflächen 64 und 54
sind konfokal angeordnet, indem die Oberfläche 64 die stimulierte Strahlung reflektiert
und fokussiert auf den Spiegel 54 richtet. Auf diese Weise wird das Objekt 56 in
der Lage 66 auf dem Spiegel 54 abgebildet, welche einer konjugierten Abbildungslage
für die Objektabbildung im Spiegel 64 entspricht. Diese konfokal angeordneten Spiegel
54 und 64 stellen einen Spezialfall der Anordnung nach F i g. 2 dar, bei welcher
dann die Spiegel 6 und 8 sozusagen eine gemeinsame Oberfläche bilden und die Abbildung
in jeder Lage über das stimulierbare Medium gewonnen wird. Die konjugierte Abbildung
66 und das Objekt 56 erscheinen als zwei vergrößerte Abbildungen 58 auf dem Bildschirm
65. Die Linse 60 ist eine übliche Vergrößerungslinse, während das Filter 62 lediglich
dazu dient, das Licht der Anregungsquelle 52 auszufiltern, so daß nur die stimulierte
Ausgangsstrahlung nach außen gelangen kann.
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Mit einer solchen Anordnung ergibt sich eine große numerische Objektivöffnung.
Für die Anwen-
Jung als Mikroskop ist dies insofern günstig, als
damit eine große Auflösung und Helligkeit in der Abbildung des Objekts 56 :erzielt
wird. Darüber hinaus ergibt sich noch zusätzlich ein erhöhtes Auflösungsvermögen
gegenüber dem in der normalen Lichtmikroskopie, also nicht bei Anwendung stimulierter
Strahlung, indem nämlich das Vermögen, zwischen zwei getrennten Objekten unterscheiden
zu können, wesentlich erhöht wird, da ihre optischen Abbildungen scharf voneinander
getrennt sind. Die sich unter Anwendung stimulierter Strahlung bei Eingabe eines
Objekts in den optischen Resonator ergebenden Wellenfelder, können mit Hilfe eines
halbdurchlässig ausgebildeten Spiegels 54 oder 64 nach außen geführt werden, wobei
die entsprechenden Ausgangsstrahlen anschließend durch übliche optische Mikroskope
zur zusätzlichen Vergrößerung geleitet werden können, um entsprechende Abbildungen
entweder zu projizieren oder zu photographieren. Die Anordnung gemäß der Erfindung
läßt sich also zur Projektion von Zeichen, zur photographischen Registrierung, zum
Mikroskopieren und optischen Abtasten für Anzeigevorrichtungen usw. verwenden.