DE19616834A1 - Optischer Strahlenteiler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Strahlenteilerprisma für konver­ gentes oder divergentes Licht und ein optisches Strahlentei­ lersystem mit einem derartigen Strahlenteilerprisma.

Verschiedene Strahlenteiler mit einem Strahlenteilerprisma sind bereits bekannt. Darin wird durch ein optisches Linsen­ system geleitetes Licht, das an einem Bildpunkt zu konvergie­ ren ist, mit einer strahlenteilenden Fläche des Prismas ge­ teilt. Beispielsweise wird in einer Fernsehkamera konvergen­ tes Licht über ein Aufnahmeobjektiv geleitet und mit einer Strahlenteilerfläche eines Prismas in Lichtanteile geteilt, die einerseits mit einer Bildaufnahmevorrichtung, anderer­ seits mit einem Sucher genutzt werden. Auch wird in einer Farbfernsehkamera durch ein Aufnahmeobjektiv geleitetes kon­ vergentes Licht mit einer Strahlenteilerfläche eines Prismas in einen roten, einen grünen und einen blauen Lichtanteil ge­ teilt. In optischen Instrumenten mit Polarisation wird durch eine Kondensorlinse geleitetes Licht in P- und S-polarisier­ tes Licht geteilt.

Die Strahlenteilerfläche besteht üblicherweise aus einem mehrschichtigen strahlenteilenden Film, dessen optische Ei­ genschaften der Nutzung entsprechen. Bei einem konventionel­ len Strahlenteilerprisma sind aber die Eintrittsfläche und die Austrittsfläche ebene Flächen normal zur optischen Achse, und deshalb wird eine sphärische Aberration verursacht, durch die die Bilderzeugungseigenschaften des das Licht konvergie­ renden Linsensystems verschlechtert werden. Dieses Problem kann gelöst werden, indem das Linsensystem unter Berücksich­ tigung der sphärischen Aberration durch das Strahlenteiler­ prisma aufgebaut wird oder indem das Linsensystem eine kleine F-Zahl hat, bei der die Optik so abgedunkelt ist, daß die sphärische Aberration vernachlässigt werden kann. Die erstere Lösung ist kostspielig, die letztere begrenzt die Einsatzmög­ lichkeiten des Strahlenteilerprismas.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Strahlenteiler­ prisma für konvergentes oder divergentes Licht anzugeben, das ohne Verschlechterung der ihm eigenen Aberrationen, insbeson­ dere der sphärischen Aberration, seine strahlenteilende Funk­ tion erfüllt.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung ein Strahlen­ teilerprisma für divergentes oder konvergentes Licht vor, dessen Strahlenteilerfläche das einfallende Licht in mehrere Lichtstrahlen aufteilt, die durch mehrere Austrittsflächen austreten. Zumindest die Eintrittsfläche oder die Austritts­ flächen haben eine sphärische Oberfläche, deren Krümmungsmit­ telpunkt auf der Konvergenzpunktseite des konvergenten Lich­ tes oder auf der Divergenzpunktseite des divergenten Lichtes liegt. Vorzugsweise liegt der Krümmungsmittelpunkt an dem Konvergenzpunkt des konvergenten Lichtes oder an dem Diver­ genzpunkt des divergenten Lichtes.

Die Eintrittsfläche kann eine sphärische Fläche sein, und die Strahlenteilerfläche kann ein halbdurchlässiger Spiegel oder eine Polarisationsfläche sein.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein optisches Strahlenteilersystem vorgesehen, das ein kondensierendes op­ tisches System enthält, indem ein Strahlenteiler in einem di­ vergenten Lichtweg angeordnet ist, welches auf eine Ein­ trittsfläche fällt. Eine Strahlenteilerfläche teilt das ein­ fallende Licht in mehrere Lichtstrahlen, die über mehrere Austrittsflächen abgegeben werden. Die Eintrittsfläche ist eine sphärische Fläche, deren Krümmungsmittelpunkt auf der Konvergenzpunktseite des optischen Kondensorsystems liegt. Vorzugsweise befindet sich der Krümmungsmittelpunkt der sphä­ rischen Fläche auf dem Konvergenzpunkt auf der optischen Achse des optischen Kondensorsystems. Die Strahlenteilerflä­ che kann ein halbdurchlässiger Spiegel oder ein dichroiti­ scher Spiegel sein.

Zusätzlich können eine Bildaufnahmevorrichtung und ein Bild­ aufnahmeelement oder eine Lichtmeßvorrichtung in den Strah­ lengängen der geteilten Strahlen angeordnet sein. Alternativ können auch Bildaufnahmevorrichtungen in den Strahlengängen angeordnet sein.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 den schematischen Schnitt eines Strahlenteilerprismas als erstes Ausführungsbeispiel,

Fig. 2 den schematischen Schnitt eines Strahlenteilerprismas als zweites Ausführungsbeispiel,

Fig. 3 den schematischen Schnitt eines optischen Systems mit einem Strahlenteilerprisma und einer Kondensorlinse in Kombination,

Fig. 4 das Diagramm der sphärischen Aberrationen des opti­ schen Systems nach Fig. 3,

Fig. 5 den schematischen Schnitt des optischen Systems nach Fig. 3 ohne Strahlenteilerprisma,

Fig. 6 das Diagramm der sphärischen Aberrationen des opti­ schen Systems nach Fig. 5,

Fig. 7 den schematischen Schnitt eines optischen Systems mit einem Kondensorlinsensystem nach Fig. 5 und einem Strahlenteilerprisma mit ebener Eintritts- und Aus­ trittsfläche, und

Fig. 8 das Diagramm der sphärischen Aberrationen des opti­ schen Systems nach Fig. 7.

Fig. 1 zeigt ein Strahlenteilerprisma 20 zwischen einem Kon­ densorlinsensystem 11 und einer Bildaufnahmevorrichtung 12. Das mit dem Kondensorlinsensystem 11 kondensierte Licht wird über das Strahlenteilerprisma 20 geleitet und auf die Bild­ aufnahmevorrichtung 12 konvergiert.

Das Strahlenteilerprisma 20 besteht aus zwei verkitteten Prismen 21a und 21b, die an ihrer Verbindungsfläche eine Strahlenteilerfläche (halbdurchlässige Spiegelfläche) 22 ha­ ben. Die Strahlenteilerfläche 20 ist unter einem Winkel von 45° gegenüber der optischen Achse O des Kondensorlinsensy-
stems 11 geneigt. Sie erlaubt den Durchgang eines Teils (d. h. der Hälfte) des einfallenden Lichtes auf die Bildaufnahmevor­ richtung 12 und reflektiert einen Teil (d. h. die verbleibende Hälfte) des einfallenden Lichtes auf ein Lichtaufnahmeelement 13 eines Suchers (nicht dargestellt). Die Bildaufnahmevor­ richtung 12 liegt auf der optischen Achse O des Kondensorlin­ sensystems 11, das Lichtaufnahmeelement 13 des Suchers liegt auf der optischen Achse O′ des an der Strahlenteilerfläche 22 abgeteilten Lichtanteils.

Das Strahlenteilerprisma 20 hat eine sphärisch-konvexe Ein­ trittsfläche 23 an dem Prisma 21a und zwei sphärisch-konkave Austrittsflächen 24a und 24b an den Prismen 21a und 21b. Der Krümmungsmittelpunkt der konvexen Fläche 23 und der Krüm­ mungsmittelpunkt der konkaven Fläche 24b liegen beide an ei­ nem Bildpunkt 120, der als der Punkt definiert ist, an dem die optische Achse O des Kondensorlinsensystems 11 und eine Oberfläche der Bildaufnahmevorrichtung 12 einander schneiden. Der Krümmungsmittelpunkt der konkaven Fläche 24a liegt an dem Bildpunkt 130, der als der Punkt definiert ist, an dem die optische Achse O′ und eine Oberfläche des Lichtaufnahmeele­ ments 13 des Suchers einander schneiden.

Bei dieser Anordnung wirkt die konvexe Fläche 23 des Strah­ lenteilerprimas 20 nicht als Linse für konvergentes Licht, das durch das Kondensorlinsensystem 11 auf die Bildaufnahme­ vorrichtung 12 und auf das Lichtaufnahmeelement 13 des Su­ chers geleitet wird. Ähnlich wirken die konkaven Flächen 24a, 24b nicht als Linsen für das durch sie zu der Bildaufnahme­ vorrichtung 12 und dem Lichtaufnahmeelement 13 hindurchtre­ tende konvergente Licht. Es wird also keine sphärische Aber­ ration durch das Strahlenteilerprisma 20 erzeugt.

Bei einem konventionellen Strahlenteilerprisma sind die Ein­ tritts- und die Austrittsflächen beide eben. Daher wirkt die Eintrittsfläche als konkave Linsenfläche für konvergentes Licht, das durch das Kondensorlinsensystem 11 zur Bildaufnah­ mevorrichtung 12 geleitet wird, und die Austrittsfläche wirkt als konvexe Linsenfläche für konvergentes Licht, das zur Bildaufnahmevorrichtung 12 hin austritt. Somit tritt eine be­ achtliche positive sphärische Aberration durch die Differenz des Grades der konkaven Linsenfunktion an der Eintrittsfläche und des Grades der konvexen Linsenfunktion an der Austritts­ fläche auf. Deshalb wird bei einem bekannten Strahlenteiler­ prisma die Bilderzeugungsfähigkeit des Kondensorlinsensystems verschlechtert.

Bei dem Strahlenteilerprisma 20 nach der Erfindung tritt keine oder nur geringe sphärische Aberration auf, da die Lin­ senfunktion an der Eintritts- und der Austrittsfläche be­ grenzt ist. Da die sphärische Aberration durch die Eintritts­ fläche einen Einfluß auf alle geteilten Lichtstrahlen hat, wird mindestens die Eintrittsfläche des Strahlenteilerprismas durch die sphärisch-konvexe Fläche 23 gebildet, und die Aus­ trittsflächen sind je nach Erfordernis vorzugsweise die sphä­ risch-konkaven Flächen 24a, 24b.

Insbesondere wenn das Lichtaufnahmeelement 13 zum Messen der Objekthelligkeit dient, muß die konkave Fläche 24a nicht vor­ gesehen sein. Die konvexe Fläche 23 und die konkaven Flächen 24a, 24b können durch Schleifen oder Kunststoff-Spritzguß oder durch eine Hybridlinse aus einem Glassubstrat mit darauf aufgebrachtem Kunstharzmaterial usw. gebildet sein. Die Her­ stellung solcher Flächen gehört jedoch nicht unmittelbar zur Erfindung.

Das in Fig. 1 gezeigte Ausführungsbeispiel kann vorteilhaft in einem optischen Instrument mit Polarisation angewendet werden. Hierbei besteht die Strahlenteilerfläche 22 aus einem polarisierenden Film, und die Bildaufnahmevorrichtung 12 und das Lichtaufnahmeelement 13 sind dann durch ein P-polarisier­ tes Lichtaufnahmeelement und ein S-polarisiertes Lichtaufnah­ meelement ersetzt.

Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Strahlen­ teilerprismas 30, mit dem einfallendes Licht in drei Strah­ lenbündel geteilt wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird das mit der Kondensorlinse 11 kondensierte Licht in eine blaue, eine rote und eine grüne Lichtkomponente geteilt, die jeweils auf ein Blau-Lichtaufnahmeelement 15, ein Rot-Licht­ aufnahmeelement 16 und ein Grün-Lichtaufnahmeelement 17 fal­ len. Bei diesem Ausführungsbeispiel besteht das Strahlentei­ lerprisma 30 aus drei Prismen 31a, 31b und 31c. Die Ein­ trittsfläche des Prismas 31a ist eine sphärisch-konvexe Flä­ che 32.

Eine dichroitische Schicht (Film) 33a befindet sich zwischen den Prismen 31a und 31b, um blaues Licht zu reflektieren und rotes sowie grünes Licht durchzulassen. Eine dichroitische Schicht (Film) 33b befindet sich zwischen den Prismen 31b, 31c, um rotes Licht zu reflektieren und grünes Licht durchzu­ lassen.

Das an dem dichroitischen Film 33a reflektierte und längs der optischen Achse O′ sich ausbreitende Licht wird an der total reflektierenden Fläche 34 des Prismas 31a reflektiert, bevor es die Austrittsfläche erreicht, die eine sphärisch-konkave Fläche 35a ist.

Das an dem dichroitischen Film 33b reflektierte und längs der optischen Achse O′′ sich ausbreitende Licht wird an der total reflektierenden Fläche 36 des Prismas 31b reflektiert, bevor es dessen Austrittsfläche erreicht, die durch eine sphärisch­ konkave Fläche 35b gebildet ist. Das Prisma 31c hat eine Aus­ trittsfläche auf der optischen Achse O des durch die dichroi­ tischen Filme 33a, 33b hindurchtretenden Lichtes. Die Aus­ trittsfläche besteht aus einer sphärisch-konkaven Fläche 35c.

Die Bildpunkte des mit der Kondensorlinse 11 kondensierten Lichtes befinden sich auf den optischen Achsen O, O′ und O′′. Der Krümmungsmittelpunkt der konvexen Fläche 32, der konkaven Fläche 35a, der konvexen Fläche 35b und der konvexen Fläche 35c sind identisch mit dem jeweiligen Bildpunkt auf der opti­ schen Achse O, O′, O′′ und O. Das Grün-Lichtaufnahmeelement 17 befindet sich am Bildpunkt auf der optischen Achse O des mit dem Kondensorlinsenssystem 11 kondensierten Lichtes und liegt normal zur optischen Achse O. Das Blau-Lichtaufnahmeelement 15 befindet sich an dem Bildpunkt auf der optischen Achse O′ und liegt normal zu dieser. Das Rot-Lichtaufnahmeelement 16 befindet sich an dem Bildpunkt auf der optischen Achse O′′ und liegt normal zu dieser.

Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel hat die konvexe Fläche 32 des Strahlenteilerprismas 30 keine Linsenfunktion für das durch das Kondensorlinsensystem 11 zu den Lichtaufnahmeele­ menten 15, 16 und 17 geleitete konvergente Licht. Ähnlich ha­ ben die konkaven Flächen 35a, 35b und 35c des Strahlenteiler­ prismas 30 keine Linsenfunktion für das zu den Lichtaufnah­ meelementen 15, 16 und 17 durchgelassene konvergente Licht. Somit erzeugt das Strahlenteilerprisma 30 keine sphärische Aberration.

Die Aberrationen des Kondensorlinsensystems und des Strahlen­ teilerprismas werden im folgenden anhand konkreter Beispiele diskutiert. Fig. 5 zeigt die Linsenanordnung eines Kondensor­ linsensystems 11, dessen Linsendaten in der folgenden Tabelle 1 enthalten sind. Fig. 6 zeigt ein sphärisches Aberrations­ diagramm für die in Fig. 5 gezeigte Linsenanordnung.

In den folgenden Tabellen ist F die F-Zahl, f die Brennweite, r_i die Linsendicke oder Abstand zwischen den Linsen, N der Brechungsindex der d-Linie und ν die Abbe-Zahl der d-Linie. In Fig. 4, 6 und 8 sind d, C und F die sphärischen Aberratio­ nen der d-Linie, der C-Linie und der F-Linie.

Tabelle 1

Fig. 3 zeigt ein optisches System aus einer Kombination des Kondensorlinsensystems nach Fig. 5 (Tabelle 1) und des Strah­ lenteilerprismas 20 hinter dem Kondensorlinsensystem 11. Die Linsendaten und die sphärischen Aberrationen dieses in Fig. 3 gezeigten optischen Systems sind in Tabelle 2 und in Fig. 4 dargestellt. Die Linsenflächen 9, 10 des Strahlenteilerpris­ mas sind in Tabelle 2 hinzugefügt. Die Krümmungsmittelpunkte der Flächen 9, 10 befinden sich am Bildpunkt des Kondensor­ linsensystems 11 nach Fig. 3. die sphärischen Aberrationen in Fig. 4 sind weitgehend identisch mit denjenigen des Konden­ sorlinsensystems nach Fig. 6. Es ist also zu erkennen, daß die korrigierten sphärischen Aberrationen des Kondensorlin­ sensystems 11 sich durch das Strahlenteilerprisma 20 nicht verschlechtern. Zur besseren Übersicht ist in Fig. 3 die Strahlenteilerfläche des Strahlenteilerprismas 20 weggelas­ sen. Die sphärischen Aberrationen gelten in gleicher Weise für alle geteilten Strahlen.

Tabelle 2

Zum Vergleich zeigt Fig. 7 ein optisches System aus einer Kombination des Kondensorlinsensystems 11 nach Fig. 5 (Tabelle 1) und eines Strahlenteilerprismas P hinter dem Kon­ densorlinsensystem 11, dessen Eintritts- und Austrittsflächen beide eben sind (Krümmungsradius ∞). Die Linsendaten und die sphärischen Aberrationen des optischen Systems nach Fig. 7 sind in Tabelle 3 und Fig. 8 dargestellt. Die Linsenflächen 9, 10 des Strahlenteilerprismas sind in Tabelle 3 hinzuge­ fügt. In Fig. 8 ist zu erkennen, daß beachtliche positive sphärische Aberrationen erzeugt werden im Vergleich zu dem Kondensorlinsensystem in Fig. 6.

Tabelle 3

Obwohl die vorstehende Beschreibung auf ein optisches System gerichtet ist, in dem ein Strahlenteilerprisma in konver­ gentem Licht angeordnet ist, kann die Erfindung auch auf ein optisches System angewendet werden, in dem das Strahlentei­ lerprisma in divergentem Licht angeordnet ist. In diesem Fall sind vorzugsweise die Eintritts- und die Austrittsflächen des Strahlenteilerprismas sphärische Flächen, deren Krümmungsmit­ telpunkte auf dem Divergenzpunkt des divergenten Lichtes lie­ gen.

Die vorstehende Beschreibung ergibt, daß bei Anordnung eines Strahlenteilerprismas nach der Erfindung in konvergentem oder divergentem Licht die Aberrationen (insbesondere sphärische Aberrationen) des optischen Systems nicht verschlechtert wer­ den.

Claims (11)

1. Strahlenteilerprisma für divergentes oder konvergen­ tes Licht, mit einer Eintrittsfläche für das diver­ gente oder konvergente Licht, einer Strahlenteiler­ fläche zum Teilen des eintretenden Lichts in mehrere Lichtanteile und mit mehreren Austrittsflächen für die Lichtanteile, dadurch gekennzeichnet, daß minde­ stens die Eintrittsfläche oder die Austrittsflächen sphärisch ausgebildet sind, wobei der Krümmungsmit­ telpunkt auf der Konvergenzpunktseite des konvergen­ ten Lichtes bzw. auf der Divergenzpunktseite des di­ vergenten Lichtes liegt.

2. Strahlenteilerprisma nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Krümmungsmittelpunkt auf dem Kon­ vergenzpunkt des konvergenten Lichtes bzw. auf dem Divergenzpunkt des divergenten Lichtes liegt.

3. Strahlenteilerprisma nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsfläche eine sphäri­ sche Fläche ist.

4. Strahlenteilerprisma nach Anspruch einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlenteilerfläche ein halbdurchlässiger Spiegel ist.

5. Strahlenteilerprisma nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlenteilerflä­ che eine polarisierende Fläche ist.

6. Optisches Strahlenteilersystem mit einem optischen Kondensorsystem und einem in divergentem Licht des Kondensorsystems angeordneten Strahlenteiler mit ei­ ner Eintrittsfläche für das divergente Licht und ei­ ner Strahlenteilerfläche, die das eintretende Licht in mehrere Lichtanteile teilt, die durch mehrere Aus­ trittsflächen abgegeben werden, dadurch gekennzeich­ net, daß die Eintrittsfläche eine sphärische Fläche mit einem Krümmungsmittelpunkt auf der Konvergenz­ punktseite des optischen Kondensorsystems ist.

7. Optisches Strahlenteilersystem nach Anspruch 6, da­ durch gekennzeichnet, daß der Krümmungsmittelpunkt auf dem Konvergenzpunkt auf der optischen Achse des optischen Kondensorsystems liegt.

8. Optisches Strahlenteilersystem nach Anspruch 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die Strahlenteilerfläche ein halbdurchlässiger Spiegel ist.

9. Optisches Strahlenteilersystem nach Anspruch 8, da­ durch gekennzeichnet, daß eine Bildaufnahmevorrich­ tung und das Bildaufnahmeelement einer Lichtmeßvor­ richtung in den geteilten Strahlengängen angeordnet sind.

10. Optisches Strahlenteilersystem nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlenteilerflä­ che ein dichroitischer Spiegel ist.

11. Optisches Strahlenteilersystem nach einem der Ansprü­ che 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß Bildaufnah­ mevorrichtungen in den geteilten Strahlengängen ange­ ordnet sind.