DE2257484C2

DE2257484C2 - Lichtfilter für optische und photographische Apparate

Info

Publication number: DE2257484C2
Application number: DE19722257484
Authority: DE
Inventors: Björn Olle Göteborg Nilsson
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1972-11-23
Filing date: 1972-11-23
Publication date: 1982-11-11
Also published as: DE2257484A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Lichtfilter für optische und photographische Apparate mit einem für einfallendes, sichtbares Licht transparenten optischen Medium.

Bekanntlich erscheint dem menschlichen Auge bei der Betrachtung einer von einem dunklen Hintergrund ϊ umgebenen intensiven Lichtquelle der dunkle Hintergrund von einem weißlichen Schimmer überzogen zu sein, der mit dem Erlöschen der Lichtquelle ebenfalls verschwindet Ebenso treten um punktartige Lichtquellen herum, wie Spotlights, besondere Lichthöfe auf.

ίο Diesen Erscheinungen trägt der Künstler, der in seinen Gemälden den tatsächlichen visuellen Eindruck wiedergeben möchte, dadurch Rechnung, daß beispielsweise Schatten nicht zu dunkel gemalt und intensive Lichtquellen mit Lichthöfen umgeben werden. Im Gegensatz dazu wird jedoch bei der photographischen Wiedergabe ein von diesem tatsächlichen visuellen Eindruck abweichendes Bild erzielt weil normalerweise die für eine derartige Erscheinung ö Betracht kommende Lichtstreuung in einem optischen oder photographischen Apparat vernachlässigbar klein ist Die Abweichung vom tatsächlichen visuellen Eindruck ist insbesondere dann merklich, wenn das Motiv intensive Lichtquellen enthält oder auf andere Weise kontrastreich ist

Es ist zwar bekannt (vergleiche beispielsweise ABC der Optik, 1961, Stichwort: Rayleigh-Streuung. Mie-Streuung), daß Licht an kleinen Teilchen eine Streuung erleidet. Die Verteilung der Streustrahlung ist dabei für den Fall, daß die Teilchenabmessung kleiner als die Wellenlänge des Lichtes (Rayleigh-S'.reuung) bzw. in der Größenordnung der Wellenlänge (Mie-Streuung) ist, durch geschlossene Formeln beschrieben. Auch ist eine Theorie zur Blendung bekannt (Journal of the Optical Society of America, Vol. 12, No. 4, 1926, Seite 295 — 298), wonach eine Blendwirkung des menschlichen Auges durch innerhalb des Auges hervorgerufene Streueffekte verursacht sei. Diese Streueffekte seien auf eine Rayleigh-Streuung zurückzuführen, die durch bekanntermaßen innerhalb des menschlichen Auges vorhandene kleine optische Inhomogenitäten veranlaßt sei. Eine Anregung zur Nachahmung des im menschlichen Auge theoretisch stattfindenden Streuvorgangs in einem Lichtfilter ist jedoch hierdurch nicht bekannt Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Lichtfilter für optische und photographische Apparate der eingangs genannten Art zu schaffen, durch das das künstlich abgebildete Bild vermöge einer Nachbildung der Lichtstreuung im menschlichen Auge dem tatsächlich wahrgenommenen natürlichen Bildeindruck mög- liehst nahekommt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daL in dem optischen Medium eine große Anzahl sehr kleiner, Streuzentren für das einfallende Licht bildender optischer Inhomogenitäten eingeschlossen ist, deren Ausdehnung in einer zur Einfallsrichtung senkrechten Richtung kleiner als ΙΟμιη und deren zur Einfallsrichtung parallele Ausdehnung multipliziert mit der Differenz zwischen dem Brechungsindex der Inhomogenität und des umgebenden Mediums kleiner als eine

Wellenlänge des einfallenden Lichtes ist.

Hei der erfindungsgemäßen Lösung wird durch die optischen Inhomogenitäten eine Lichtstreuung hervorgerufen, wie sie auch im menschlichen Auge empfunden wird. Diese durch die erfindungsgemäße Wahl der Dimensionen und des Brechungsindex erzielte wellenlängenabhängige Streuung ist jedoch auch im wesentlichen frei von Brechungseffekten. Hierdurch ist sichergestellt, daß durch das erfindungsgemäß ausgebildete

Lichtfilter keine Bildverzerrungen hervorgerufen werden.

Der durch das erfindungsgemäße Lichtfilter hervorgerufene Streueffekt, durch den die tatsächliche Bildwahrnehmung des menschlichen Auges hergestellt "> wird, unterscheidet sich völlig von der Wirkung bekannter Weichzeichner oder Streuscheiben, durch die lediglich der Kontrast an der Grenze zwischen dunklen und hellen Bereichen gemindert werden soll. Diese bekannten Einrichtungen beruhen im wesentlichen auf "> Brechungseffekten und führen in der Regel zu einer beträchtlich herabgesetzten Konturschärfe. Die darin auftretende Lichtstreuung erfolgt jedoch über einen sehr kleinen Streuwinkel. Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird jedoch das Licht über einen weiten Winkel ι "> verteilt, wobei sowohl dieser Verteilungswinkel als auch die Intensität stark von der Wellenlänge abhängig ist. Bilddistorsionen, das heißt Bildverzeichnungen und -Verzerrungen, sowie Verminderungen der Konturschärfe treten bb auf eine gewisse allgemeine -'" Verminderung des Kontrastes nicht auf. da das Streulicht zu einem im wesentlichen unbeeinflußten Originalbild addiert wird.

Im Einzelnen beruht bei dem erfindungsgemäßen Lichtfilter die Lichtstreuung auf Rayleigh-Streuung, wobei die Brechung sehr klein gehalten wird, um die Natur des Auges nachzubilden, in dem nur sehr kleine Änderungen des Brechungsindex vorliegen. Zur Unterdrückung der Brechungseffekte soll die durch die einzelne Inhomogenität verursachte Phasenverschie- v> bung des Lichtes die Größenordnung einer Wellenlänge nicht wesentlich überschreiten. Deswegen ist bei der erfindungsgemäßen Lösung die zur Einiallsrichtung des Lichtstrahles parallele Ausdehnung der Inhomogenität oder Unregelmäßigkeit nicht größer als——, wobei λ die ^ΐΊ

Δ η

Wellenlänge des Lichtes und dndie Differenz zwischen dem Brechungsindex der Inhomogenität und des umgebenden Mediums darstellt.

Ferner müssen im Hinblick auf eine wohldefinierte begrenzte Größe der erzeugten Lichthöfe die Inhomogenitäten einen Brechungsindex aufweisen, der nur geringfügig von dem des umgebenden Mediums abweicht. Vorzugsweise soll die Differenz 0,05 nicht übersteigen. Im Hinblick auf die Winkelverteilung wird rotes Licht über einen weiten Winkel gestreut, violettes Licht dagegen über einen kleineren Winkel.

Unter der Annahme, daß die Inhomogenitäten über die Querschnittsfläche des Lichtweges eine zufallsgesetzliche Verteilung aufweisen und daß die Differenz '" der Brechungsindizes sehr klein ist, ergibt sich für die Intensität / des gestreuten Lichtes der folgende Ausdruck:

wobei N &\t Zahl der lichtstreuenden Inhomogenitäten darstellt, V das Volumen der einzelnen Inhomogenität, Δη die Differenz zwischen dem Brechungsindex der Inhomogenität und des umgebenden Mediums und /die Frequenz des einfallenden Lichtes.

Wenn die Dimensionen der Inhomogenitäten in Richtung des Lichtstrahls die kleinste Dimension quer zu dieser Richtung kaum übersteigen, so liegt nahezu das gesamte gestreute Licht in einem Winkel von —radian vom direkten Strahl, worin λ die Wellenlänge

des Lichts und d die kleinste Abmessung der Inhomogenitäten quer zum Lichtstrahl bedeuten. Auch in diesem Fall muß Δη sehr klein sein.

Das erfindungsgemäße Lichtfilter kann derart ausgeführt sein, daß die lichtstreuenden Inhomogenitäten, die in der Regel gleichförmig über den Lichtpfad verteilt sein sollen, in irgendeinem der optischen Elemente eines optischen Instruments enthalten sind. In dor Praxis ist es jedoch vorzuziehen, das die Inhomogenitäten aufweisende Lichtfilter getrennt auszubilden, wobei dieses Lichtfilter sodann an einer Kamera oder dergleichen ebenso angebracht werden kann wie ein herkömmliches Lichtfilter. Ein solches Lichtfilter kann dazu verwendet werden, realistischere Bilder zu erzielen und zu große Kontraste zu vermeiden, speziell in der Farbphotographie. Ein solches Lichtfilter kann auch anstelle der Weichzeichner in der Portraitphotographie und zur Erzielung besonders auffälliger Effekte durch eine entsprechende Wahl der Art der Inhomogenitäten in der Werbephotographie verwendet werden. Besonders konstruierte derartige Lichtfilter können in der Wissenschaft für bestimmte Prüf- und Eichzwecke Verwendung finden. Selbstverständlich kann das erfindungsgemäße Lichtfilter nicht nur an Kameras für stehende Bilder, sondern auch für Filmkameras, Fernsehkameras, Vergrößerungsapparate und dergleichen Verwendung finden. Es ist zusätzlich möglich, herkömmliche Lichtfilter oder dergleichen erfindungsgemäß mit den Inhomogenitäten zu versehen, um eine kombinierte Filterw'rkung zu erzielen. Wenn gewünscht, ist es weiter möglich, die Verteilung der Inhomogenitäten über die Querschnittsfläche des Lichtpfades unterschiedlich zu gestalten, so daß sich ein Effekt ergibt, der in Abhängigkeit von der öffnung des optischen Systems veränderlich ist.

Im Rahmen der erfindungsgemäßen Lehre werden die Abmessungen, die Anzahl und die Art der Inhomogenitäten in Abhängigkeit von den gewünschten Streueigenschaften gewählt. Eine für bestimmte Anwendungen zweckmäßige Ausführungsform besteht in diesem Zusammenhang darin, daß die Inbimogenitäten eine Abmessung von höchstens 0,2 μπι haben. Hierdurch wird eine im wesentlichen isotrope Streuung erzielt, und zwar insbesondere für Licht kurzer Wellenlänge, also blaues und violettes Licht. Solche kleinen Inhomogenitäten können durch kleine Plastikscheibchen gebildet sein, die in eine sie bedeckende Masse zwischen zwei ebenen Glasscheiben eingebettet sind. Natürlich dürfen die Scheibchen nicht aus einem Material bestehen, das in der Brechzahl mit der sie umhüllenden Masse genau übereinstimmt. Je größer die Scheibchen sind, um so kleiner kann der Unterschied zwischen den Brechzahlen des Material» der Scheibchen und der sie umhüllenden Masse sein. Es ist wichtig, daß die Teilchen sich nicht innerhalb der sie umhüllenden Masse zusammenballen, da in diesem Fall die sich ergebende Lichtstreuung eine Verminderung der Schärfe in der gleichen Weise verursachen würde, wie eine staubige Linsenoberfläche oder eine Streuscheibe. Die Einbettungsmasse kann ein aushärtender Plastikzement sein, auf den die Teilchen aufgesprüht werden. Die Inhomogenitäten können auch sehr kleine Titandioxidteilchen in kolloidaler Lösung in Äthylalkohol sein. Mögliche ZusammenbaÜungen werden aufgelöst, indem man die Lösung einer Ultraschallschwingung aussetzt. Auch Gelatine ist als Einbettungsmasse geeignet. Werden sehr kleine Plastikscheibchen verwendet, so können diese über eine Glasoberfläche verteilt werden, ohne daß man eine Einbettungsmasse benützt. Es ist auch möglich, kleine Quarzteilchen zu verwenden, die man durch eine Reaktion zwischen

gasförmigem Silicjumtetrachlorid und Wasserdampf erhält Im Gegensau zu Plastikscheibchen sind solche Teilchen auch gegenüber hohen Temperaturen beständig, so daß sie direkt im Glasmaterial eingebettet werden können.

Dagegen verursachen größere und im wesentlichen sphärische Inhomogenitäten mit Abmessungen von 1-10 Mikrometern, die aus einer Emulsion von Plastikteilchen bestehen können, ununterbrochene Lichthöfe uia intensiv konzentrierte Lichtquellen herum und vermindern den Kontrast an der Grenze zwischen dunklen und hellen Flächen. Die radiale Ausdehnung der Lichthöfe ist dabei zum Durchmesser der Teilchen umgekehrt proportional.

Längliche Inhomogenitäten wie Glasfasern, deren Querabmessungen 10 Mikrometer nicht übersteigen, während ihre Länge etwa 1 mm beträgt, verursachen bei Einbettung in eine sie umhüllende Masse Lichthöfe bestimmten Aufbaus rund um intensive Lichtquellen herum. In diesem Fall ist die Einbettungsmasse von besonderer Bedeutung. Sind die Glasfasern von Luft umgeben, so verursachen sie eine Lichtstreuung derart, wie sie mit verkratzten Linsen erzielt wird: Die Lichthöfe sind anders als im menschlichen Auge in radialer Richtung nicht begrenzt. Die umhüllende Masse kann ein aushärtendes Plastikmaterial sein.

Im Hinblick auf die spezielle Ausbildung der Inhomogenitäten besteht eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lichtfilters darin, daß die Inhomogenitäten durch Teilchen aus Glas, Plastik, Quarz oder dergleichen gebildet sind, die in eine auf einem transparenten Träger, beispielsweise einer Glasscheibe, oder zwischen zwei solchen Trägern angeordnete transparente Masse eingebettet sind. Eine andere zweckmäßige Ausführungsform besteht darin, daß die Inhomogenitäten durch kltine Vertiefungen oder Hohlräume in einer transparenten Masse gebildet sind. Eine weitere Ausgestaltung besteht darin, daß die Inhomogenitäten aus einer kolloidalen Lösung von Teilchen in einer transparenten Flüssigkeit bestehen. Schließlich besteht eine vorteilhafte Ausführungsform auch darin, daß die Inhomogenitäten zumindest

ίο teilweise durch die Molekularstruktur eines Flüssigkristalls gebildet sind.

Für die Nachahmung der Natur des menschlichen Auges ist es ferner vorteilhaft, bei einer mit länglichen Inhomogenitäten versehenen Ausführungsform vorzusehen, daß die neben den in der Einfallsrichtung eine Länge von 1 mm aufweisenden, vorzugsweise zylindrischen Inhomogenitäten vorhandenen übrigen Inhomogenitäten im wesentlichen sphärisch sind. Die sphärischen und länglichen Inhomogenitäten sind dabei vorzugsweise gemeinsam in Plastikmaterial eingebettet.

Ein bevorzugtes Ausführungsh !spiel des Lichtfilters

besteht aus einer ebenen oder gebogenen Glas- oder Plastikscheibe, über deren Oberfläche die optischen Inhomogenitäten verteilt oder in das Glas oder das Plastikmaterial eingebettet sind. Im ersten Fall ist vorzugsweise ein Schutzglas vorgesehen, um mechanische Beschädigung und das Ansammeln von Staub auf der lichtstreuenden Oberfläche zu verhindern. Zum Erzielen bester Ergebnisse sollen alle freiliegenden Oberflächen mit einem Antireflexbr'ag beschichtet sein. Das Lichtfilter wird vorzugsweise derart ausgebildet, daß es in optische Geräte in der Art herkömmlicher Lichtfilter eingesetzt werden kann.

Claims

Patentansprüche:

1. Lichtfilter Tür optische und photographische Apparate mit einem für einfallendes, sichtbares Licht transparenten optischen Medium, dadurch gekennzeichnet, daß in dem optischen Medium eine große Anzahl sehr kleinen Streuzentren für das einfallende Licht bildender optischer Inhomogenitäten eingeschlossen ist, deren Ausdehnung in einer zur Einfallsrichtung senkrechten Richtung kleiner als ΙΟμπι und deren zur Einfallsrichtung parallele Ausdehnung multipliziert mit der Differenz zwischen dem Brechungsindex der Inhomogenität und des umgehenden Mediums kleiner als eine Wellenlänge des einfallenden Lichtes ist

2. Lichtfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessungen der Inhomogenitäten in zwei zueinander und zur Einfallsrichtung senkrechten Richtungen höchstens ΙΟμίη betragen.

3. Lichtfilter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einige der Inhomogenitäten in der Einfallsrichtung eine Länge von einem Millimeter haben.

4. Lichtfilter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Inhomogenitäten eine Abmessung von höchstens 0,2 μπι haben.

5. Lichtfilter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die neben den in der Einfallsrichtung eine Länge von 1 mm aufweisenden, vorzugsweise zylindrischen, Inhomogenitäten vorhandenen übriger. Inhomogenitäten im wesentlichen sphärisch sind.

6. Lichtfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausdehnung der Inhomogenitäten in der zum Lichtstrahl parallelen Richtung größer als 1 μπι ist und daß die Inhomogenitäten in eine Masse eingebettet sind, deren Brechzahl sich von der der Inhomogenitäten nur geringfügig unterscheidet.

7. Lichtfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Inhomogenitäten über die Fläche des optischen Mediums ungleichförmig verteilt sind.

8. Lichtfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Inhomogenitäten durch Teilchen aus Glas, Plastik, Quarz od. dgl. gebildet sind, die in eine auf einem transparenten Träger oder zwischen zwei solchen Trägern angeordnete transparente Masse eingebettet sind.

9. Lichtfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Inhomogenitäten durch kleine Vertiefungen oder Hohlräume in einer transparenten Masse gebildet sind.

10. Lichtfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Inhomogenitäten aus einer kolloidalen Lösung von Teilchen in einer transparenten Flüssigkeit bestehen.

11. Lichtfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Inhomogenitäten zumindest teilweise durch die Mölekulärslruktur eines Flüssigkristalls gebildet sind.