DE2059059A1 - Verfahren und Vorrichtung zur spektralen Zerlegung von Licht und Vereinigung der spektralen Komponenten von Licht - Google Patents

Description

DR. RUDOLF BAUER · DIPL.-ING. HELMUT HUBBUCH

7B3 PFORZHEIM. 23.11.1970 i/K WESTUCHESICAMLEOPOLDPLATZ) TEL., (07231) 24200

Barr & Stroud Limited,GLASGOW, (Schottland)

Verfahren und Vorrichtung zur spektralen Zerlegung von Licht und Vereinigung der spektralen Komponenten von Licht.

■ Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und auf eine \ Vorrichtung zur spektralen Zerlegung von Licht (Dispersion) ;. , ■ ' ~ ■ und Vereinigung der spektralen Komponenten von Lieht.

Bei der Dispersion von Licht in die Komponenten rot, grün und "blau, benutzt man meist eine Mehrzahl von monochromatischen mehrschichtigen Interferenzfilter mit teilweiser Reflexion an den Grenzflächen der einzelnen Schichten verschiedener Brechzahlen. Einige dieser Ifiltersysteme sind beschrieben in "Philipps Technical Revier" Vol. 24 (1962) Seite 263 - 271.

Bei einem anderen bekannten System werden aus dem Lichtstrahl zunächst durch einen farbneutralen Strahlteiler zwei kohärente

109823/1301

BADORiGINAL

Lichtquellen gleicher Stärke "und Farbzusammensetzung hergestellt und die Primärfarbenkomponenten dann durch einen Spiegel-Dichromator erhalten.

In der zitierten Literaturstelle werden die Nachteile mehrschichtiger Interferenzfilter im einzelnen diskutiert. Die optischen Eigenschaften solcher Filter hängen nämlich von dem Einfallwinkel des Lichts ab. Diese Abhängigkeit führt auf zwei ganz

verschiedenen Wegen zu Wachteilen. Diese Nachteile., können jedoch dadurch in Grenzen gehalten' werden, daß man den größten Winkel, unter dem das Licht einfallen kann, begrenzt. Eine erste Form von chromatischen Sörungen, welche sich bei Verwendung von Interferenzfiltern zeigt, ist eine Farbverfälschung. Diese ergibt sich daraus, daß die kritische Wellenlänge 1_ft eines einfallenden Lichtstrahls, vom -dem die halbe Energie reflektiert und die andere Hälfte durchgelassen wird, mit steigendem Einfallswinkel abnimmt.

w Zwei Lichtstrahlen gleicher Farbe, die von unterschiedlichen Stellen des Objektes ausgehen, haben beide für den Winkel 0 = P⁰ die kritische Wellenlänge 1 . Die beiden Strahlen treffen den Spiegel-Dichromator unter unterschielichen Einfallswinkeln. Die beiden reflektierten Stahlen haben dann gegenüber den durchgelassenen eine geringfügig unterschiedliche farbe.

Eine zweite Art ctromatischer Störungen, ein Mangel an Farb-

109823/1301

_ 5 -.■■■■■

kontrast ergibt sich aus folgenden Umständen; Die Strahlen eines von einem Gegenstandpunkt ausgehenden Strahlenbündels passieren die Sammellinse auf verschiedenen Wegen und treffen daher unter verschiedenen Winkeln auf den Spiegel-Dichromator. Daraus ergibt sich ein unterschiedlih.es Farbenspektrum für jeden der verschiedenen Strahlen, die in einem Punkt des Bildes konvergieren, d. h., einen geringen Farbkontrast.

Der Effekt wird bei Verwenduuig von mehr als einem Spiegel-Dichromator verstäx^kt.

Eine weitere Art chromatischer Störungen ergibt sich sas der Polarisatioiiserapfindlichkeit des Interferenzfilters. Die senkrecht polarisierte Komponente (S-Komponente) wird für eine bestimmte Wellenlänge vom Interferenzfilter besser reflektiert als die parallel polarisierte Komponente (P-Komponente). Das Verhältnis der reflektierten S-Komponente zur reflektierten P-Komponente ist eine Funktion des Lichteinfallwinkels. !Theoretisch sollte der Interferenzfilter allen Einfallswinkeln aber nur unpolarisiertes Licht reflektieren,d. h., Licht, bei dem die S- und dieP-Komponenten gleich sind. Bei dem durchgelassenen Strahlteil bestehen entsprechende Verhältnisse.

Ein bekanntes Verfahren, die P- und S-Komponenten eines einfallenden Lichtstoahls abzugleichen, besteht darin, den Strahl

109823/1301

vor seinem Auftreffen auf den Interferenzfilter durch eine farbneutrale 1/4-Phasenplatte zu schicken. In welcher Weise der einfallende Strahl auch polarisiert sein mag, stets ergibt eiefe der Interferenzfilter eine ungestörte Farbreflektions-Kennlinie, d. h., eine mittlere Kennlinie zwischen den Kennlinien der P-und S-Komponenten.

Das durchgelassene Licht verhält sich entsprechend. Mit dem ™ Verfahren Tind der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung werden die aufgezeigten Nachteile vermieden.

Gemäß dem Verfahren der Erfindung wird hiezu der zunächst linear polarisierte Lichtstrahl spektral in seine Komponenten zerlegt, sodann wird die Polarisationsebene einer Farbkomponente ausgefiltert und vom Rest des Lichtstrahls getrennt.

Vorzugsweise wird die ausgefilterte Polarisationsebene auf im wesentlichen 90 ° eingestellt. Die lineare Polarisation des Lichtstrahls erfolgt durch einen Polarisatu in Form eines Btrahlteilers bei einem Einfallswinkel zwischen 30 ° und ^O gegenüber der Achse.

Die Einstellung der Polarisationsebene der Farbkomponente kann in einer Phasenplatte erfolgen. Diese Platte erzeugt eine 1/2 Phasen-Verzögerung der Farbkomponente gegenüber dem Strahlrest, wenn die Farbkomponente die Platte passiert oder eine Phasen-Verzögerung von 1/4 wenn die Farbkomponente durch

109823/1301

BAD ORIGINAL

_ 5 — ■"'■'■■

einen Spiegel-Dichromator abgetrennt, wurde und nach Passieren des Spiegels ein zweites Hai die Platte durchsetzt. Der Strahl wird dabei nacheinander zweimal um je 1/4 phasenverschoben.

ϊ Die Phasenplatte ist im wesentlichen achromatisch und der Strahl i

/ trifft sie im rechten Winkel.

Bildet der Lichtstrahl das Bild, so enthält jede Farbkomponente

;"■' Licht einer ersten Polarisierungsrfchtung und Licht einer zweiten,

I zur ersten rechtwinkligen, Polarisferungsrichtung. Die optischen

f Wege, die das Licht bei den Polarisierungsrichtungen zurücklegt,

. die Zahl der Heflektionen nach Auftreffen des Strahls auf den

l Polarisator und vor der Ankunft auf der Bildebene, sind für

'■•\ beide Polarisationsrichtungen gleich.

.-< Ein Gerät zur Ausübung dieses Verfahrens besteht gemäß der Er- I findung aus einem Spektralapparat, der den Lichtstrahl in seine α Farbkomponenten aufteilt, einem linearen Polarisator einer Vors

richtung zur Drehung der Polarisationsebene einer linear polari- \ sierten ffarbkomponente, und einer auf die Polarisation ansprechenden Vorrichtung zur Aussonderung der -^arbkomponente aus dem Rest des Strahls.

VorzußnvKji,se ist der Spektralapparat so aufgebaut, daß das Licht im Winkel von 30 ° bis 50 ° zur Achse einfällt.

10982371301

Die auf die Polarisation ansprechende Vorrichtung· ist ein Strahlenteiler und die Vorrichtung zur Drehung der Polarisationsebene eine Phasenplatte, deren Ebene im wesentlichen senk"¹ eckt zum einfallenden Strahl liegt. Die Platte ist als Λ/2-Platte für eine bestimmte Wellenlänge ausgelegt. Der Strahlenteiler kann eine Λ/4-Phasenplatte mit zwei Durchlässen sein in Kombination mit einem Spiegel-Üichromator, welcher aus dem Spektralbereich die Wellenlänge 1 reflektiert.

Die Vorrichtung der Erfindung besteht im einzelnen aus zwei rechtwinkligen Prismen, die mit ihren Hypothenusenflächen zusammenliegen, wobei ein zwischen den Hypothenusenflächen angeordneter farbneutraler Strahlteiler und eine auf vorbestimmte Farben ansprechende dichroistische Schicht vor einer Kathetenfläche des einen Prismas, sowie eine Λ/4—Phasenplatte zwischen der Schicht und der Prisma-Fläche vorgesehen ist.

Gegenüber der dichroistischen Schicht und gegenüber den beiden Seitenflächen der Prismen und mit der dichroistischen Schicht verbunden, sind Filter mit unterschiedlicher Farbdurchlässigkeit angeordnet, so daß ein durch die vierte Prismenfläche in die Vorrichtung eintretender Lichtstrahl in drei Strahlen unterschiedlicher Farbe aufgespalten wird.

109823/1301

Die Vorrichtung kann auch aus zwei Paar rechtwinkligen Prismen "bestehen. In jedem Paar sind die Hypothenusenflächen der Prismen einander zugekehrt und "bei jedem der Prismenpaare sitzt ein farbneutraler Strahlenteiler zwischen den Hypothenusen flächen. Zwischen den "beiden Prismenpaaren ist eine ü/2-Phasenplatte angeordnet.

An der Austrittsfläche der PrismenanoJrdnung sind drei Dispersionsfilter mit unterschiedlichen Durchlaßkurven angeordnet. Die AnoBdnung kann nach einem weiteren Gedanken der Erfindung auch so getroffen sein, daß zwischen den einander zugekehrten Hypothenusenflachen der Prismen eines jeden Prismenpaares ein Strahlteiler angeordnet ist, und zwischen den Prismenpaaren eine dichroistische Schicht zwischen zwei Jt/4--Phasenplatten für eine bestimmte Spektralfarbe.

Die Erfindung bezieht sich auch auf ein optisches System zur Dispersion der Strahlung einer elektromagnetischen Strahlungsquelle in drei Komponenten, eine Komponente die den Bereicl· aller Wellenlängen unter einer bestimmten Wellenlänge A umfaßt, eine zweite Komponente, die den Bereich aller Wellenlängen über.einer bestimmten Wellenlänge B umfaßt und eine dritte Komponente, die den Bereich aller Wellenlängen zwischen A und B umfaßt.

109823/1301

Das System enthält Polarisatoren zur Erzeugung linearer Polarisationen des Strahls in zwei zueinander senkrechten Richtungen von denen eine durchgelassen, die zweite reflektiert wird, so daß zwei zueinander rechtwinklige optische Achsen entstehen. Das System enthält ferner drei mit dem polarisierten Licht bestrahlte Interferenzfilter. Der eine Filter liegt im wesent-

W liehen senkrecht zur ersten optischen Achse, der zweite und dritte im wesentlichen senkrecht zur zweiten optischen Achse an gegenüberliegenden Seiten des Polarisators. Jeder Filter läßt nur eine d-er drei Komponenten durch und reflektiert die andern beiden. Zwischen dem Polarisator und den Filtern liegen in den optischen Achsen Umkehr-Polarisatoren, die die Polarisationsrichtung der von den Interferenz-Filtern auf den Polarisator reflektierte Strahlung, umgekehrt wird. Der Polarisator besteht vorzugsweise aus einer dünnen Schicht

^ polarisierenden Stoffes, deren Fläche in einem Winkel von 30 bis 50 ° zur optischen Achse des einfallenden und das Bild erzeugenden Strahls steht. Jede Farbkomponente enthält polarisiertes Licht der ersten Polarisatioiisrichtung und Licht der zweiten auf der ersten senkrecht stehenden Polarisationsrichtung. Die optischen Wege des Lichts Jeder Polarisationsrichtung und die Zahl der Reflektionen nach Eintritt in das polarisierende Material und vor Erreichen der Bildebene sind für alle Lichtstrahlen gleich. Zur Vereinigung der drei Farbkomponenten wird dor Weg des Lichtes umgekehi't.

^109823/1301 _ßA0OR.G,N*L

Die Strahlenteiler können Polarisationsprismen sein, z. B. Nicoische Prismen odersie können Polarisationsfilter sein. Sie können monochromatisch sein.

Die polarisationsempfindliche Vorrichtung kann aus optisch aktivem Material bestehen, eine Phasenplatte sein, eine Kerz-Zelle oder kann eine Vorrichtung sein, "bei der der Faraday-Effekt ausgenutzt wird.

Die Zeichnung zeigt beispielsweise schematisch und teilweise im Schnitt bevorzugte Ausführungsformen einer Vorrichtung gemäß der Erfindung.
In der Zeichnung ist:

Fig. 1 eine Prismenanordnung zur Dispension eines Lichtstrahls in drei Farbkomponenten,

Fig. 2 eine spezielle Ausführungsform der Anordnung nach 'Big. 1,

Fig. 5 bis Fig. 7 verschiedene Kennlinien von Phasenplatten, wie sie bei den Anordnungen nach Fig. 1 und 2 verwendet werden kkönnen,

Fig. 'ö eine gegenüber Fig,. 1 geänderte Prismenanordnung, Fig. 9 eine spezielle Ausbilduno; der Anordnung nach Fig. ö,

Fig.10 die Kennlinie der Phasenplatte, wie sie beider Anordnung nach Fit;. 9 verwendet wird.

109823/1301

- ίο -

Fig. 11 eine Kurve, die die Wirksamkeit der Anordnung nach Fig. 9 darstellt,

Fig. 12 eine weitere Ausführungsform der Prismenanordnung,

Fig. 13 A, B G und D komplexe Systeme, die erfindungsgemäß unter Verwendung der Anordnung nach Fig. 12 zur Aufspaltung von Lichtstrahlen verwendet werden und

Fig. 14 die Anwendung eines Systems nach Pig. 13 A, B, G, und D bei einer Fernsehkamera.

In Fig. 1 sind zwei Paar rechtwinklige Prismen 10, 11; 12, 13 unter Zwischenschaltung einer Phasenplatte 14-^mit ihren Kathetenseiten aneinandergesetzt. Innerhalb jedes Prismenpaares liegen die Prismen 10, 11 bzw. 12, 13 mit den-Hypothenusenflachen aneinander. Jedes Paar bildet dadurch einen Würfel. Zwischen den Hypothenusenflächen liegt jeweils ein achromatischer Strahlteiler 15 bzw. 16 in Form eines Interferenz-Filters, Die Ebenen der beiden Strahlenteiler 15 und 16 stehen senkrecht aufeinander. Der Lichtstrahl 20 tritt in der optischen Achse senkrecht in die Kathetenfläche 1OB des Prismas 10 ein. Er ist unpolarisiert, d., h., die Polarisationsrichtungen P und S sind gleich. Der Lichtstrahl 20 trifft im Winkel von 4-5 ° auf die Phasenplatte 15· Bei diesem großen Einfallswinkel hat die Phasenplatte eine starke Polarisationsfähigkeib, Der reflektierte Strahl 21 tritt deshalb weitgehend in S-lUcht-uiif; < Ί'irisiert

109823/1301

BAD ORIGINAL

aus der Kathetenflache 1OA des Prismas 10 aus. Das durchgehende · Licht 22 ist andererseits weitgehend in P-Richtung polarisiert. Beide Sirahlen 21 und 22 haben aber die gleiche spektrale Zusammensetzung, wie der Stehl 20.

Der Strahl 22 tritt in die Platte 14- ein. Die Phasenplatte dreht die Polarisationsebene eines Teiles im Strahl 22 enthaltener Spektralfarben in die S-Bichtung. Der in S-Richtung po-

larisierte Strahl 22A fällt im Winkel von 45 auf die Phasenplatte 16. Er wird von der Pl'atte 16 vollständig reflektiert . und tritt durch die Kathetenfläche 12A aus dem Prisma 12 aus. Der Teil des Stx-ahls 22, dessen Polarisationsrichtung in dei· Phasenplatte 14 nicht in cfe S-Hichtung gedreht wurde, sondern in der P-Eichtung blieb, durchsetzt die Platte 16 und verläßt das Prisma 13 durch die Kathetenfläche 1JA.

Den Flächen 1OA, 12A und 1JA liegen Farbfilter 17, 18 und 19 auf.

In Fig. 1 stehen die Flächen der Platten 15 und 16 aufeinander senkrecht. Dies ist nicht besonders notwendig, notwendig istnur, daß der Einfallswinkel des Strahls 20 auf die Platte 15 und der Einfalls-winkel des Strahls 22 auf die Platte 16 zwischei 30 -und 50 liegt. Es ist auch nicht erforderlich, daß beide Einfallswinkel gleich sind. Die erste Farbauswahl wird durch die Phasenplatte 14 erreicht. Die Kennlinie dieser Platte maß ⁿ/2 X sein,- wobei η eine ungerade ganze Zahl ist. Die ßtrahlen-

109823/1301

BAD ORIGINAL

• teiler können farbselektiv sein, wichtig ist, daß sie polarisierend wirken.

Fig. 2 zeigt die Farbkomponenten der Strahlen 20, 21 und 22. Die Platte 14 besteht aus Magnesiumfluorid und ist eine für eine Wellenlänge von 540 um ausgelegte 9/2 X-Platte. Sie läßt nur in S-Richtung polarisiertes grünes Licht durch. Ebenso ist der Filter 1ö nur für grünes Licht durchlässig. Die Filter 17 w und 18 dagegen sind nur für blaues bzw. rotes Licht durchlässig. Auf diese Weise wird der Strahl 20 in die drei Farbkomponenten grün, blau, rot aufgelöst.

In dem in Fig. 2 dargestellten System ist die Stärke des Lichts in Jedem Farbkanal höchstens 40 % der Lichtstärke des Strahls 20,

Fig. 3 Zeigt die Kennlinie der Phasenplatte 14. Wie ersichtlich, läßt die Platte bei 4^0, 540 und 690 nm in P-Richtung polarisiertes Licht in einer Richtung zu 100 % oder zu fast 100% _k durch und S-polarisiertes Licht nicht oder fast nicht. In umgekehrter Richtung wird bei den Maxima S-polarisiertes Licht durchgelassen und "P-polarisiertes nicht. Bei den Wellenlängen 490, 540 und 610 ist die Durchlässigkeit der Platte für P-polarisiertes Licht, bzw. S-polarisiertes Licht bezüglich der

Polarisierungs- und Einfallsrichtungen umgekehrt. 490, 5^-0 und 610 nm entsprechen der blauen, grünen und roten Farbe des Spektrums.

Bei der Anordnung nail Fig. 2 ist die Platte 14 dem Einfall von

109823/1301

■weitgehend in P-Richtung polarisiertem Licht ausgesetzt, d. h., daß praktisch kein in S~Richtung polarisiertes Licht vorhanden ist. Die Platte 14 dreht das' in P-Richtung polarisierte Licht in die S-Richtung, so daß für die Durchlaßkurve nach Fig. 3? nur in S-Richtung polarisiertes Licht zu beachten ist. Anstelle der 9/2Λ -Platte kann auch eine 5/2/? oder 7/2^ -Platte Verwendung finden. Sie lur derart dicke Platten ergeben sich, die in Pig. 4 und 5 gezeichneten Durchlasskurven. Die Durchlaßkurven der i'ig. J, 4 und 5 sind auf einen einzelnen Strahl abgestellt. In der Praxis fällt aber ein Bündel Strahlen auf die Platte 14, so daß die Einfallswinkel.streuen..Die Durchlaßkurve verbreitert sich daher wie in S¹Xg. 6 dargestellt. I¹Ur diese Kurve ist angenommen, daß der Einfallswinkel bis zu 8 ° vom rechten Winkel abweicht, das entspricht einem Konuswinkel des Strahlenbündels von 16 °. Diese Kurvenverbreiterung, welche eine Schattierung der Farben im Bild verursacht kann hingenommen werden, da die Schattierung wesentlich geringer ist als die, die bei Verwendung von dichroistischen Spiegeln auftritt.

B¹Xg, 7 zeigt die Durchlaßkurven der Platten 14 in der Dicke 5/2X , 7/2 λ und 9/2Λ » wenn man sie statt aus Magnesiumfluorid aus Quartz macht. Da alles Licht das auf den Filter 19 fällt p-polarisiert ist, kann der Filter 19 auch eine Phasenplatte sein. Die Farbe kann dann durch einen weiteren achromatischen

109823/1301

Strahlleiter ausgeschieden werden, welcher im Winkel von 45 zum einfallenden Strahl geneigt ist. Anstelle von l^viagne..;iuirifluorid oder Quartz können alle anderen polarisierenden Materialien wie Glimmer, gereckte Kunststoffolien u. dgl. verwendet werden. Diese haben natürlich andere Surchlaßkurven als die ^ in Fig. 3-7 dargestellten. Man kann mit Vorteil die Dicke der Platten so wühlen, daß beispielsweise nur wenig in P-Eichtung polarisiertes grünes Licht in S-polarisiertes Licht verwandelt wird, jedoch fast alles P-polarisierte rote Licht in S-polarisiertes.

iig. 8 stellt eine ähnliche Anordnung dar-wie Fig. 1. Die Prismen 10 und 11 und der achromatische Strahlteiler 15 arbeiten auch hier mit einer Phasenplatte 14 zusammen. Die Prismen 12 und 13 ¹JJ^d. die Phasenplatte 16 sind hier ersetzt durch eine " dichroitisch^ Schicht 9, die aus einem mehrschichtigen Interferenzfilter besteht. Die Schicht 9 liegt zwischen der Phasenplatte 14 und dem farbfilter 19. Der Farbfilter 18 der Fig. 1 ist auf der Kathetenfläche HA des Prismas 11 angeordnet. Ein Strahl unpolarisierten Lichts JO tritt durch die Katheten-■ fläche 1OB in die Prismenanordnung nach Fig. 8 ein und brifi't im Winkel von etwa 45 ° auf den Strahlteiler (Polarisator) 15. Von dem Polarisator 15 wird in S-Eichtung polarisier-tes Licht 31 reflektiert. Es tritt durch das Farbfilter 17 aus der

109823/1301 bad original

- 15 -

Katheterflache 1OA aus. Der durchgelassene, in P-Eichtung polarisierte Strahl 32 trifft senkrecht auf die Blasenplatte 14.

Die Plate 14 kann 1/4, 3/4, 5/4 oder n/4 X dick sein (n = ungerade, ganze Zahl). Der auf die Platte treffende, in P-Richtung polarisierte Strahl wird in gewissen Wellenlängenbereichen in zirkulär polarisiertes Licht verwandelt;. Das reflektierte zirkulär polarisierte Licht wird in der Platte 14 weitgehend in in S-Richtung polarisiertes Licht verwandelt. In ähnlicher Weise wird ein auftreffender in S-Richtung polarisierter Strahl in in P-Eichtung polarisiertes Licht ver\^andelt, so daß durch den Hin- und Rückgang des Lichtes durch die Platte 14 eine Drehung der Polarisationsebene um 90 erfolgt. Bei der Priseilanordnung nach Fig. 8 reflektiert die Schicht 9 einen Wellenlängenbereicli, der die Platte 14 zweimal durchläuft und als im wesentlichen in S-Richtung polarisiertes Licht auf die Platte 15 zurückgeworfen wird. Dieser Strahl verläßt die Anordnung durch den Filter 18. Das von der dichroitischen Schicht 9 durchgelassene Licht tritt durch den Filter 19 aus dem Prismensystem aus.

Fig. 9 zeigt eine spezielle Ausführungsform dieser Anordnung. Hier sind die rote, grüne und blaue Komponente des Strahls 30 eingemchnet. Die blaue Komponente passiert als einzige den . ' Filter 17. Die dichroitische Schicht 9 reflektiert die zirkulär . polarisierte grüne Komponente, Die chromatische Empfindlichkeit

10 9 8 2 3/1301

der Schicht 9 arbeitete mit dem Griinfilter 18 zusammen, so daß die grüne Komponente die Anordnung durch die Fläche 11Δ verläßt. Die rote Komponente schließlich wird durch das Rotfilter 19 durchgelassen.

Von den drei Komponenten erreicht die rote und "blaue maximal 40 % der Lichtstärke des Strahls JO, die grüne 35 %.

ψ Die Durchlaßkurve der Phasenplatte 14 in der Prismeneinordnung nach Fig. 9 zeigt Fig. 10 und zwar für denjenigen Teil des Strahls 30, welcher vonder Platte reflektiert wird. In Fig. 11 sind die Durchlaßkurven der grünen Komponente mit (Kurve 1) und ohne (Kurve2) Phasenplatte dargestellt. Die Fig. zeigt, daß die Einschaltung der Platte 14 dLe durchgelassenen Energien der grünen Komponente im Maximum auf das etwa 6fache steigert. Da das Licht senkrecht auf die Schicht 9 fällt, ergibt sich zugleich eine minimale Farbverfälschung, verglichen mit der sonst mit der Verwendung von dichroistischen Schichten verbundenen Verfälschung.

Fig. 12 zeigt eine' aus den Anordnungen nach Fig. 1 und 8 kombinierte Prismenanordnung. Die dichroistische Schicht 40 liegt hier zwischen zwei Phasenplatten 41 und 42. Die Platte 41 ist eine 1/4-Platte für die grüne und blaue Komponente, die Platte 42 nur für die blaue. Die diohroistische Schicht 40 reflektiert selektiv die grüne Komponente. Wenn in P-Kichtung polarisiertes

109823/1301

ORlGfNALlNSPECTED '

weißes Licht auf die Platte 41 fällt, so wird seine "blaue Komponente in zirkulär polarisiertes Licht umgesetzt und kann die dicliroitische Schicht 40 passieren. Beim darauf folgenden Passieren der Platte 42 wird das "blaue Licht fast vollständig in in S-Kichtung polarisiertes Licht umgesetzt und daher vom Strahlteiler 16 reflektiert. Die grüne Komponente wird "beim Passieren der Platte 4 in zirkulär polarisiertes Licht verwandelt und von der. Schicht 40 reflektiert. Beim zweiten Durchgang durch die Platte 41 "wird es fast vollständig in in S-Eichtung polarisiertes Licht verwandelt, welches vom Strahlteiler 15 reflektiert wird. Der Polarisationszustand der roten Komponente ist nach Durchgang durch die Schichtenfolge 40, 41, 42 ungeändert, da die Platten 41 und 42 für rotes Licht 1/2 dick sind. B^i der Anordnung nach Fig. 12 liegendie Farbfilter 17, 18, 19 in den entsprechenden Farbkanalen. Für das am Strahlteiler 15 reflektierte weiße Licht ist ein Luminanz-Kanal vorgesehen. Wie vorher kann das Licht im roten und "blauen Kanal höchstens 40 % und das Licht im grünen Kanal höchstens 35 % d.er Knergie des einfallenden weißen Lichts erreichen. Der Luminanzilarial nimmt ebenfalls höchstens 40 % der Energie auf.

Von der Anordnung nach Fig. 12 können verschiedene andere Anordnungen abgeleitet werden, von denen einige Beispiele in den

^109823/1301 BADOB₁GINAi.

Figuren 13A, I3B, 13O und I3D dargestellt sind. Die drei Farbkanäle sind getrennt dargestellt, Fig. I3A zeigt die Entstehung der blauen Komponente, Fig. I3B zeigt die Entstehung der roten komponente und die Fig. 13C und I3D die Entstehung der grünen Komponente. Es ist ein Kennzeichen dieser Anordnung, daß die Länge des optischen Weges innerhalb des Prismenmaterials vom

' /die

Eingang bis zum Ausgang für alle drei Farbkomponenten gleiche ist. Der Auflösungswirkungsgrad ist daher für jeden Kanal gleich groß, was für die Bildbildung von großer Bedeutung ist. In keinem Kanal findet eine Bildumkehr oder eine Spiegelung statt.

Der Kanal für die blaue Komponente (Fig. 13-A-) soll näher beschrieben werden, da die Anordnung alle Elemente des Systems enthält. Der einfallende Lichtstrahl 50 enthält sowohl in S-Richtung, wie auch in P-Eichtung polarisiertes Licht. Das S-Licht wird durch den achromatischen Strahlenteiler·. 149 reflektiert, so daß ein in S-Richtung polarisierter Strahl 51 entsteht. Der Strahlteileü 149 liegt zwischen den einander zugekehrten Hypothenusenflächen der Prismen 147 unu 14ö. Der Strahl 51 durchdringt einen dichroitischen Blau-Filter 146, welcher zwischen den 1/4 Phasenplatten 144 und 145 eingeschlossen ist. Beim Durchgang entsteht zunächst ein im wesentlichen zirkulär polarisierter Strahl und dann ein im wesentlichen in P-Kichtung polarisierter Strahl 52. Dieser wird durch den

10 9 8 2 3/1301 bad original

achromatischen Strahlteiler 143 zum Teil reflektiert, der zwischen den Prismen 141 und 142 eingeschaltet ist. Der durchgelassene Teil trifft auf eine Phasenplatte 140 deren Außenfläche mit Aluminium belegt ist und den SDrahl 52 reflektiert. Hierbei -wird das Licht des Strahls 52 zunächst zikular polarisiert und sodann fast vollständig in S-Eichtung polarisiert. Der in S-Eichtung polarisierte Strahl ist mit -53 bezeichnet. Der Strahl 53 "wird von dem Stahlenteiler 143 reflektiert und trifft auf eine Phasenplatte 139» deren Außenfläche mit Aluminium belegt ist, so daß der Strahl 53 nachmals reflektiert wird. Der beim Eintritt in die Phasenplatte 139 zirkulär polarisferte Strahl 53 ist bei Wiederaustritt im wesentlichen in PxEichtung polarisiert. Der in P-Eichtung polarisierte Strahl jsb mit 54- bezeichnet. Er passiert unverändert den Strahlteiler 143 und bildet einen Teil der aus der Anordnung austretenden blauen Komponente.

Ein anderex" Teil des Strahls 50 passiert den Stcahlteiler 149. Dieser Teil ist mit 55 bezeichnet. Der Strahl 55 wird von einem dichroistischen grün-Pilter 138 reflektiert, welcher zwischen zwei Phasenplatten 136 und 137 eingeschaltet ist. Der Strahl 55 verwandelt sich dabei zunächst in zirkulär und anschließend in in S-Eichtung polarisiertes Licht. Der entsprechende Strahl ist mit 56 bezeichnet. Der Strahl 56 wird dabei vom Strahlea.-

109823/1301

■ teiler 149 reflektiert "und trifft auf den dicliroistische Rot-Filter 135? welcher zwischen zwei Phasenplatten 153 ^d eingeschaltet ist. Der in S-Richtung polarisierte Strahl 5&> "wird dabei zunächst in einen zirkulär polarisierten und anschließend in einen in P-Richtung polarisierten Strahl verwandelt, welcher mit 57 "bezeichnet ist. Der Strahl 57 passiert den Strahlenteiler 149 und den Blau-IPilter 146. Indem er dabei " auch die Phasenplatteri144 und 145 passiert, wird er in einen in wesentlichen in S-Richtung polarisierten Strahl 58 umgewandelt, der vom Strahlenteiler 143 reflektiert wird und einen Teil der blauen Komponente darstellt.

fts soll bemerkt werden, daß Jeder der polarisierten komponenten des einlaufenden Stahls 30 viermal reflektiert wird, so daß das mit dem Strahl transportierte Bild am Ausgang weder umgekehrt noch gespiegelt erscheint. Außerdem sind die Weglängen gleich, da immer zwei verschiedene Wege laufende Komponenten den austretenden Strahl bilden. Dies wird, erreicht durch die ausschließliche Verwendungtechtwinkliger Prismen und die 45 °-S'-( llung der Strahlenteiler zwischen den Hypothenusenflachen der Prismen. Zum genauen Ausgleich der optischen Wege können die Phacen-Platten 139 und 140 durch Schraubgang verstellbar sein.

I'ig. 13jj zeigt, den kanal für die rote Komponente. Die Anordnung

109823/1301

BAD ORIGINAL

bestellt aus zwei Prismen 147 und 148 mit dichroitischen !Filtern und Pliasenplatten und zwei weiteren Prismen 131_v 132, zwischen welchen ein ashromatischer Strahlenteiler 130 liegt. Dieser Prismen-Kombination liegen Phasenplatten 12ü und 129 auf, deren Außenseiten verspiegelt sind.

Der Kanal für die grüne Komponente (Fig. 13 G und 13D) wird aus den "beiden Prismen 147, 148 mit ihren Phasenplatten und dickroi tisch en Filtern und zwei weiteren Prismen 12ξ>, 127 (Fig. 13D) zwischen denen ein achromatischer Strahlenbeiler 149 liegt. Der Prismenanordnung 126, 127 liegen an den Außenflächen verspiegelte Phasenplatten 123, .124 auf. Ihre Ebenen stehen senkrecht auf den Ebenen der Platten 12ü, 129 139 und 140. Zum Ausgleich der Einschaltung des Strahlenteilers Ί25 im Verhältnis zu den Strahlenteilern 130, 143, und 149 ist die Platte 137 eine 3/4i -Platte, während alle anderen Phasenplatten 3/4-Platteii sind.

Bei jeder der oben besprochenen Einrichtungen zur spektralen Aufteilung weißen Lichts wurde vorausgesetzt, daß das weiße Licht aus Komponenten zusammengesetzt ist, die in P und in S-Hichtung polarisierte Komponenten enthält. Die Komponenten können durch über das sichtbare Spektrum achromatische Phasenplatten von Λ/4-Dicke ausgeglichen werden. Jede der besprochenen Einrichtungen besitzt eine solche Phasenplatte am Eingang.

109823/1301 _BA0 original *

mit den bekannten Systemen, welche dichroibische Spiegel oder Schichten hoher optiecher Empfindlichkeit benutzen, liefern die Vorrichtungen gemäß der Erfindung eine gute Farbwiedergabe und geringe Farbabweichungen. Darüber hinaus können Vorrichtungen gemäß den Erfindungen leichter hergestellt werden, da Probleme unerwünschter Polarisation nicht auftauchen bzw. zur Verbesserung ausgenutzt und im wesentlichen nur senkrechte Einfallswinkel benutzt'werden.

Eine spektrale Teilvoz'richtung gemäß der Erfindung kann mit besonderem Vorteil in Fernsehkameras Verwendung finden, da ein gedrängter Aufbau möglich ist. Beispielsweise zeigt Fig. 14-eine Einrichtung nach Fig. 13 als Teil einer Ferneohkomera.

Me Vichikon-Teile befinden sich mit parallelen Achsen in einer Ebene.

Eine Vorrichtung der Erfindung kann ebenso Verwendung finden bei der Earbphotographie, wenn monochromatische Bilder aus verschiedenen Teilen des Spektrums getrennt fixiert werden sollen.

In diesem Fall werden auf die verschiedenen Farben sensibiliei'te photographische Platten am Ausgang der drei Kanäle aiifitiordneb. Das Verfahren kann auch beim heliri',-.rt»-'ndruck Verwendung finden.

Las Verfahren kann schließlich auch "bei farbigen oscillographischeii Aufnahmen Verwendung finden, "bei dem drei oder mehr i''ar"bko/!ipoiienten zu einem Bild, kombiniert werden sollen. Dies geschieht, indem die Lichtwege umgekehrt, wie 'beschrieben
durchlaufen werden. Dementsprechend kann das Verfahren auch "bei i'arbferrisehempfängern Verwendung finden.

109823/1301

Claims (1)

1. DR. RUDOLF BAUER · DIPL.-ING. HELMUT

   PATENTANWÄLTE

   783PFORZHEIM. 24.11.1970

   WESTLICHE 31 (AM LEOPOLDPLATZ) TEL., (07231)24290

   Patentansprüche

   /i .) Verfahren zur Aufspaltung von Licht in vorbestimnite

   spektrale komponenten, dadurch gekennzeichnet, daß die " Polarisationsebene einer 3?arbkomponente des zunächst linear polarisierten Lichtstrahls gedreht und die Farbkomponente durch eine auf den Polarisationszustand ansprechende Vorrichtung vom Rest des Strahls abgesondert wird.

   2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

   die Polarisationsebene der !''arbkomponente um 90 ° gedreht wird.

   \ ⁷J. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rest des Strahls in der ursprünglichen Richtung polarisiert bleibt.

   4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da-

   durch gekennzeichnet, daß der Strahl am Eingang der Vorrichtung uurc.'j oineii- Strahl teiler, auf aen tr in » ineni Winlel

   109823/1301

   BAD ORiGlNAL

   • 2059Q59

   von 30 ° - 50 ° zur optischen Achse trifft, linear polarisiert wird.

   5. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die auf den Polarisationszustand ansprechende Vorrichtung ein Strahlteiler ist.

   6. Verfahren nach Anspruch. 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlteiler im .sichtbaren Spektralbereich achromatisch sind.

   7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisationsebene der Farbkomponente durch eine

   Phasenplatte gedreht "wird.

   8. Verfahren nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenplatte beim Durchgang des Lichts die Phase der

   I'arbkomponente um λ/2. verschiebt.

   ■■■ /
   9. Verfahren nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß

   die Phasenplatte eine Ji/^-Phasenverschiebung verursacht und die Farbkoponente durch einen dichroitischen Spiegel ausgesondert wird, der das Licht der Farbkomponente durch die ^/4-Phasenplatte zurückwirft.

   109823/1301

   10. Verfahren nach Anspruch 9> dadurch gekennzeichnet, dab die Phasenplatte im wesentlichen achromatisch ist.

   11. Verfahren nach einem der Ansprüche '/ - 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht der i'arbkomponente

   senkrecht auf die Phasenplatte trifft^

   P 12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

   dadurch gekennzeichnet, daß jeder der das Bild übertragen den I'arbkomponenten Licht einer ersten und Licht einer zweiten zur ersten rechtwinkligen Polarisationsebene enthält und die optischen Wege des Lichts jeder der "beiden' Polarisationsrichtungen und die Zahl der Reflektionen zwischen der Drehung der Polarisationsebene und dem Erreichen des Bildschirms für alle Farbkomponenten gleich ist.

   k 13· Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1,

   gekennzeichnet durch einen hinter der Strahlaingangsfläche (10B) angeordneten linearen Polarisator (15) ±'ür das ganze einfallende Licht, eine-dahinter angeordnete Einrichtung (14) zum Drehen der Polarisationsebene des Lichts einer der Farbkomponenten des Strahls (20) und eine auf die Polarisabions-' richtung ansprechende Einrichtung (16) zur Aussonderung der Farbkomponente.

   109823/1301

   BAD ORIGINAL

   14-. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,

   daß der Polarisator ein Strahlteiler (15) ist, der mit dem in der optischen Achse einfallenden Strahl einen Winkel zwischen 30 ° und 50 ° einschließt.

   15. Vorrichtung nach Anspruch 13» dadurch gekennzeichnet,

   daß auch die auf die Polarisationsrichtung ansprechende Einrichtung ein Strahlteiler (16) ist.

   1b. Vorrichtung nach den Ansprüchen 13 - 15» dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlenteiler (15» 16) iJH- sichtbaren Spektrum achromatisch sind.

   17. Vorrichtung nach Anspruch I5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Drehen der Polarisationsebene des Lichts der jfarbkomponente eine Phasenplatte (14) ist.

   1o. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daii die Phasenplatte (14) senkrecht zum auftreffenden Strahl liegt.

   19. Vorrichtung nach Anspruch 1? oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß α ie Phasenplatte (14) ^/2 einer "bestimmten

   'wellenlänge c.-iok ist.

   10 9 8 2 3/1301

   ßAD ORIGINAL

   20. Vorrichtung nach einem dex" Ansprüche 13 - 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenplatte (14) für einen

   bestimmten Spektralbereich /i/4- dick ist und mit einem oichroitischen Spiegel (9) verbunden ist.

   21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Kombination der Phasenplatte (14) mit dem di-

   chroitischen Spiegel (9) senkrecht zum einfallenden Stifcahl (30) liegt.

   22. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zwei rechtwinklige Prismen (10, 11)

   die zwischen ihren einander zugekehrten Hypothenusenflachen einen im sichtbaren Spektralgebiet achroj^njischen Strahlteiler (15) einechließen und auf der der Eingangbkathetenfläche (10B) des einen Prismas (10) gegeüberliegenden Kathetenfläche des anderen Prismas (11) eineyZ/4 Phasenplatte und - ihr anliegend eine dichroitische Schicht (9) mit bestimmter I'arbempfindlichkeit tragen.

   23· Vorrichtung nach Anspruch 22 gekennzeichnet, durch drei

   Farbfilter (Τ/_} 1fa, 19) unterschiedlicher !''arbdurchlässigkeit von denen eins (19) auf der u:i chroitischen Schicht(9)

   109823/1301

   BAD ORIGINAL

   • gegenüber der Eingangsfläche (1OB) die anderen "beiden (17» 18) auf den freien Seitenflächen (1OA, 11A) der Prismenkoiabination (10, 11) angeordnet sind und der einfallende Strahl (50) in drei jfarbkomponenten au%eteilt wird.

   24. Vorrichtung zur Ausübung des Yerfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zwei Paare von rechtwinkligen mit

   ihren Hypothenusenflächen unter Einschluß von Strahlteilern zusammenliegenden Prismen, die zwei yJ/2-Phasenplatten (41, 42) zwischen sich einschließen.

   25. Vorrichtung nach Anspruch 24, df^urch. gekennzeichnet, daß auf jeder Austrittsfläche eins von drei !Farbfiltern

   (für grün, "balu, rot) liegt»

   26. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenplatten (41, 42)^/4-Platten in "bestimmten

   Spektralhereichen sind und eine dichroitisch^ Schicht (40) zwischen sich einschließen.

   2^r/. Vorrichtung- nach Anspruch 24 oder 26 dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlteiler achromatisch ist.

   28. Optische Anordnung zur Zerlegung eineB von einer elektromagnetischen Strahlungsquelle ausgehenden Strahls in drei

   109823/1301

   BAD ORIGINAL.

   farbselektive Komponenten, von denen die erste alle Wellenlängen •unterhalb einer ersten "bestimmten Wellenlänge, die zweite alle Wellenlängen oberhalb einer zweiten bestimmten oberhalb der ersten gelegene Wellenlänge und die dritte den Wellenlängenbereich zwischen der ersten und der zweiten Wellenlänge umfasst, gekennzeichnet durch

   a) Polarisatoren (15, 16) welche den einfallenden Strahl (20,22) in zwei in unterschiedlichen Richtungen polarisierte Strahlen (21, 22A, 22B) aufteilen, von denen der eine (22, 22B) durchgelassen, der andere (21, 22Δ) so reflektiert wird, daß die optischen Achsen der beiden Strahlen (22; 21, 22A) einen rechten Winkel bilden.

   b) drei !farbfilter (17₅ 18, 19) , von denen einer (19) senkricht zur ersten optischen Achse (22), die anderen beiden (17j 1ö) senkrecht zur zweiten optischen Achse (21, 22A) auf entgegengesetzten Seiten der Anordnung angeordnet sind, und von denen jeder einen und Jeder einen anderen der drei Wellenbereiche durchläßt, die anderen beiden aber unter Drehung der Polaisationsrchtung reflektieren.

   29. Anordnung nach Anspruch 2ü, dadurch gekennzeichnet, daß

   die Polarisatoren (15> 16) aus einer dünnen Schicht polarisierenden haterials bestehen, welches bei einem Strahleinfallswinkel im Bereich von pO bis ^O zur optischen Achse wirksam ist.

   109823/1301

   BAD ORIGINAL

   30. Anordnung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet,

   daß dea? durch die Strahlteiler (15» 16) geteilte Strahl (20, 22) das Bild formt und jede seiner i'arbkonip onent en zwei polarisierte Strahlen enthält, deren Polarisationsrichtung aufeinander senkrecht steht, wobei die optischen Wego, die jeder der beiden Teilstrahlen durchmisst und ö.ie Zahl der Rexlektionen zwischen dem Auftreffen des Strahls auf den ersten Polarisator und auf die Bildfläche gleich i sind.

   109823/1301

   ßAD ORIGINAL

   Leerseite