DE2645075C2 - Optische Anordnung zur Erzeugung von spektral zerlegten Abbildungen - Google Patents

Optische Anordnung zur Erzeugung von spektral zerlegten Abbildungen

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Description

— daß als Beugungsgitter ein Transmission-Phasengitter verwendet wird, dessen Furchenprofil aus mehreren Stufen besteht, in denen für Strahlung der nullten Beugungsordnung Gangdifferenzen von ganzzahligen Vielfachen einer festgelegten Wellenlänge erzeugt werden, so da£> in der nullten Beugi'ngsordnung im wesentlichen ein Farbauszug in der durch die festgelegten Wellenlänge bestimmten Farbe entsteht und
— daß die weiteren Beugungsordnungen des Gitters farblich jeweils verschiedene, weitere bildmäßige Farbauszüge des Objekts ergeben.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die festgelegte Wellenlänge im grünen Spektrum des sichtbaren Lichtes gewählt wird, so daß im zentralen, ungebeugten Licht ein grüner Farbauszug entsteht.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden ersten Beugungsordnungen des Beugungsgitters jeweils einen blauen bzw. einen roten Farbauszug ergeben.
4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Objekt-Strahlung eines Spektralbereiches benutzt wird, der im nahen oder fernen Infrarotbereich oder jenseits davon liegt,
5. Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das Furchenprofil des Beugungsgitters aus zwei Stufen besteht, in denen für die festgelegte Wellenlänge Gangdifferenzen von zwei bzw. vier Wellenlängen entstehen.
6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufhebung der Dispersion in den Farbauszügen Prismen hinter einer weiteren Abbildungslinse angeordnet sind.
7. Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiteres Gitter hinter einer weiteren Abbildungslinse angeordnet ist.
8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Gitter ein Beugungsgitter ist, dessen Furchenprofil auf möglichst geringen Lichtverlust für die Farbe des zugehörigen Farbauszuges ausgelegt ist.
Die Erfindung bezieht sich auf eine optische Anordnung zur Erzeugung von spektral zerlegten, räumlich getrennten Abbildungen von spektral-breitbandig abstrahlenden Objekten mittels eines Beugungsgitters, welches in der Nähe der Pupille einer Abbildungslinse gesetzt ist.
Zur Erzeugung von Farbauszügen sind verschiedene Anordnungen bekannt. So kann man im optischen Bereich z. B. einfache Absorptions- bzw. Interferenz-Farbfilter nach der US-PS 27 69 111 benutzen, was jedoch den Nachteil einer geringen Lichteffizienz hat. Dieser Nachteil wird z. B. bei der Anwendung in Farbfernsehkameras durch die Verwendung sogenannter dichroitischer Spiegel (farbteilende, breitbandige Interferenzfilter) überwunden. Derartige Spiegel sind jedoch in der Herstellung sehr aufwendig und deshalb teuer.
Aus Standard-Lehrbüchern der Optik ist zu entnehmen, wie in Spektrographen von einem beleuchteten Spalt über eine Anordnung aus einem Beugungsgitter und einer Abbildungslinse, wobei das Beugungsgitter in der Nähe der Eintrittspupille der Abbildungslinse angeordnet ist, getrennte Spektralbereiche bzw. Farbauszüge des Spaltbildes aus den Beugungsordnungen des Gitters erzeugt werden können.
Der Erfindung liegt Die Aufgabe zugrunde, mit einer optischen Anordnung der beschriebenen Art drei räumlich getrennte fiächenmäßige Farbauszüge eines Objekts unmittelbar zu gewinnen.
Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß als Beugungsgitter ein Transmission-Phasengitter verwendet wird, dessen Furchenprofil aus mehreren Stufen besteht, in denen für Strahlung der nullten Beugungsordnung Gangdifferenzen von ganzzahligen Vielfachen einer festgelegten Wellenlänge erzeugt werden, so daß in der nullten Beugungsordnung im wesentlichen ein Farbauszug in der durch die festgelegte Wellenlänge bestimmten Farbe entsteht und daß die weiteren Beugungsordnungen des Gitters farblich jeweils verschiedene, weitere bildmäßige Farbauszüge des Objekts ergeben.
Die Beugungsgitter haben nahezu die gleiche Lichteffizienz wie dichroitische Spiegel, aber lassen sich dabei durch Preßverfahren herstellen.
Bevorzugte Anwendungsgebiete sind die Filmabtastung, das Farbfernsehen und das Farbfaksimile. Das Anwendungsgebiet ist jedoch nicht auf den sichtbaren Spekiralbereich beschränkt, sondern kann sich ohne weiteres auf den nahen und fernen Infrarotbereich und darüber hinaus erstrecken.
Anhand der Zeichnung wird im Ausführungsbeispiel und die Funktionsweise des Beugungsgitters näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 eine optische Anordnung für die Erzeugung der Farbauszüge,
F i g. 2 ein Ausführungsbeispiel ein?s Beugungsgitters mit Furchenprofil in Treppenform,
Fig.3 die spektrale Verteilung des Lichtes auf die Beugungsordnung bei Verwendung von Beugungsgittern mit Furchenprofil nach F i g. 2 und
F i g. 4 eine optische Anordnung zur Beseitigung der Farbdispersion in den abgebeugten Ordnungen.
Die Wirkungsweise des neuen Beugungsgitters (Phasengitter) beruht darauf, daß bei Phasengittern die spektrale Verteilung des Lichtes auf die Beugungsordnungen stark von deren Furchenprofil abhängt. Dieses Furchenprofil kann z. B. so ausgeführt werden, daß die nullte Beugungsordnung, also der nicht abgebeugte Strahl im grünen Licht, die eine erste Beugungsordnung (z. B. + 1. Ordnung) im blauen Licht und die andere erste Beugungsordnung (z.B. —1. Ordnung) im roten Licht erscheint. Setzt man ein derartiges Gitter in die Pupille einer Abbildungslinse, so entstehen mehrere Bilder in den entsprechenden Farbauszügen wie blau, grün und rot nebeneinander.
Die optische Anordnung nach Fig. 1 würde ohne Beugungsgitter G an der Stelle des Farbauszuges g das
normale Farbbild des Objekts Ob liefern. Mit Beugungsgitter entstehen entsprechend dessen Beugungsordnungen Nebenbilder, die bei hinreichender Aufspaltung zwischen den Beugungsordnungen in Verhältnis zur Größe der Bilder getrennt nebeneinander in der Bildebene erscheinen. Das Furchenprcfil des Beugungsgitters (Phasengitters) wird nun so ausgeführt, daß z. B. an der Stelle des zentralen Normalbildes jetzt ein Grünauszug, in den beiden ersten Ordnungen je ein Rotauszug und ein PJauauszug erscheinen.
Das kann z. B. mit einem Furchenprofil nach F i g. 2 erreicht werden, das aus einer treppenförmigen Struktur besteht, die aus einsm Dielektrikum mit Brechungsindex π aufgebaut ist Die geometrische Höhe (Dicke) der einzelnen Treppenstufe wird dabei so gewählt, daß der in ihr erzeugte optische Gangunterschied (n—\)d (gegen Vakuum bzw. Luft) ein Vielfaches von Äg ist, wobei Ag die zentrale Wellenlänge des Lichtes im Grünauszug bedeutet:
10
15
(77-I)CZ1=K, -Ag-, (n-\)d2=K2-Ag
20
(1)
d\ und d2 sind die geometrischen Dicken der beiden Stufen nach F i g. 2, K\ und K2 sind Zahlenwerte.
Licht der Wellenlänge Ag wird vom Beugungsgitter nicht abgebeugt, wogegen Licht anderer Wellenlänge aus dem direkten Strahl herausgebeugt wird. Durch Aufbau einer unsymmetrischen Treppe und gleichzeitig geschickte Wahl der Zahlenwerte K\ und K2 läßt sirh erreichen, daß blaues Licht hauptsächlich in eine erste Ordnung und gleichzeitig rotes Licht hauptsächlich in die andere erste Ordnung abgebeugt wird. In F i g. 2 ist Kx = 2 und K2 =4 gewählt. Die zu dem Furchenprofil der F i g. 2 gehörige spektrale Lichtverteilung auf den direkten Strahl und die beiden ersten Beugungsordnungen zeigt F i g. 3. Die drei Kurven sind berechnet unter der Voraussetzung, daß der Brechungsindex für das betrachtete Spektralgebiet von ca. 400 bis 700 μ nicht von der Wellenlänge abhängt Für die Kurven in Fig.3 ist Jg= 525 μ und die Maxima der Intensitätsverteilung in den beiden anderen Farbauszügen (blau, rot) liegen bei 459 μ bis 656 μ. An Stellen maximaler Intensität in einem Farbauszug haben die beiden anderen Farbauszüge die Intensität null.
Die Fig.2 und 3 demonstrieren die Verhältnisse für einen besonders einfachen Fall eines Furchenprofils, wobei der Brechungsindex π als konstant angesehen wurde. Andere Furchenformen entstehen bei geeigneter Wahl der Zahlenwerte K, und K2. Weiter können Furchenprofile aus mehr als zwei Treppenstufen (außer der Grundstufe) bestehen, wobei dann wieder verschiedene, geeignete Zahlenwerte für K], K2, K3 usw. gewählt werden können. Außerdem kann noch der Brechungsindex η und sein Verlauf als Funktion der Lichtwellenlänge durch Wahl geeigneter Dielektrika in gewissen Grenzen eingestellt werden.
Es gibt eine Vielzahl von Furchenprofilen, die in Beugungsgittern zur Erzeugung von Farbauszügen geeignet sind. Sie unterscheiden sich durch verschiedene Spektralverteilungen (Spektralbänder) für die Farbauszüge (Beispiel F i g. 3), wobei ggf. auch höhere als erste Beugungsordnungen benutzt und mehr als drei Farbauszüge erzeugt werden können.
Von besonderer Wichtigkeit sind treppenförmige Furchenprofile (vgl. F i g. 2) mit einer geringen Anzahl von Treppenstufen. Treppenförmige Furchenprofile mit Treppenstufen, in denen optische Wegedifferenzen von Vielfachen einer bestimmten Wellenlange entstehen, haben den besonderen Vorteil, daß der zu dieser Wellenlänge gehörende Farbauszug als zentrales, ;inabgebeugtes Bild nullter Ordnung auf ier optischen Achse entsteht. Dieses zentrale Bild zeigt nämlich keinerlei Farbdispersion.
Die nichtzentralen Bilder zeigen je nach spektraler Breite des Farbauszuges mehr oder weniger Farbdispersion, sind also in einer Richtung (der Richtung der Aufspaltung durch das Gitter) verwaschen, d. h. von geringerer Auflösung als in der anderen Richtung. Diese geringere Auflösung infolge Dispersion kann bis zu einem gewissen Grade bei einigen Anwendungen toleriert werden. So können beim Farbfernsehen die Farbsignaie rot und blau mit herabgesetzter Bandbreite übertragen werden, was einer verringerten Auflösung in den entsprechenden Farbauszügen entspricht Beim Filmabtasten und beim Farbfaksimile hat man es von vornherein nur mit eindimensionalen Bildern (infolge der Spaltabtastung) zu tun, so daß eine gewisse Dispersion quer zum Spalt nicht stören würde.
In den Anwendungsfällen, in denen Farbdispersion nicht toleriert werden kann, muß und kann diese Dispersion durch eine nachgeschaltete Abbildung der betroffenen Farbauszüge beseitigt werden. Eine Möglichkeit dazu zeigt Fig.4: Die im ursprünglchen Farbauszug (z. B. η in F i g. 4) auftretende Dispersion wird mittels Abbildung durch ein Gitter G'kompensiert. Dieses Gitter kann z. B. ein Beugungsgitter nach der Erfindung sein.
Mit Vorteil wird man hier ein solches Gitter einsetzen, dessen Furchenprofil mit dem Ziel eines möglichst geringen Lichtverlustes im betreffenden Farbauszug optimiert ist
Eine andere Möglichkeit einer zumindest angenäherten Beseitigung der Dispersion besteht in dem Einsatz eines Prismas anstelle des Gitters C(F i g. 4). In jedem Fall ist eine geometrische Trennung der nach F i g. 1 entstehenden Bilder notwendig, was ohne Lichtverlust, z. B. durch Spiegel, erfolgen kann. Die Beseitigung der Dispersion in den nichtzentralen Bildern kann dann für alle diese Bilder gleichzeitig in einem Strahlengang erfolgen.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
50
55
60

Claims (1)

Patentansprüche:
1. Optische Anordnung zur Erzeugung von spektral zerlegten, räumlich getrennten Abbildungen von spektral- breitbandig abstahlenden Objekten mittel« eines Beugungsgitters, welches in der Nähe der Pupille einer Abbildungslinse gesetzt ist, dadurch gekennzeichnet,
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