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"Beugungsgitter zur Erzeugung von Farbauszügen"
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Erzeugung definierter
Spektralbereiche vorzugsweise von Farbauszügen von spektral-breitbandig aktiv und/oder
passiv abstrahlenden Ob-3akten.
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Es sind bereits verschiedene Anordnungen zur Erzeugung von Farbauszügen
bekannt. So kann man im optischen Bereich z.B. einfache Absorptions-Fabfilter 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.
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in der Patentanmeldung P 26 45 075.9 ist eine Anordnung vorgeschlagen
worden, bei der die Spektralbereiche bzw. Farbauszüge aus den Beugungsordnungen
eines Beugungsgitters (Phasengitter) abgeleitet werden, das in die Pupille einer
Abbildungslinse gesetzt ist und dessen Furchenprofil aus mehreren Stufen besteht,
in denen Gangdifferenzen von ganzzahligen Vielfachen einer festgelegten Wellenlänge
erzeugt werden.
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Diese Anordnung hat eine hohe Lichteffizienz und ist einfach herzustellen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Farbauszugmittel zu
schaffen, das besonders für die Massenfertigung geeignet ist.
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Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß die Spektralbereiche bzw. Farbausziige
aus den Beugungsordnungen eines Beugungsgitters (Phasengitter) abgeleitet werden,
das in die Pupille einer einer Abbildungslinse gesetzt ist und dessen Furchenprofil
aus mehreren Stufen besteht, wobei die Höhe der einzelnen Stufe so gewählt ist,
daß der in ihr erzeugte optische Gangunterschied ein entsprechendes Vielfaches oder
angenähertes Vielfaches der festgelegten Wellenlänge ist.
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Die Beugungsgitter haben nahezu die gleiche Lichteffizienz wie dichroitische
Spiegel, aber lassen sich dabei durch Preßverfahren in großer Zahl wesentlich billiger
herstellen.
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Bevorzugte Anwendungsgebiete sind die Filmabtastung,das Farbfernsehen
und das Farbfaksimile. Das Anwendungsgebiet ist Jedoch nicht auf den sichbaren Spektralbereich
beschränkt, sondern kann sich ohne weiteres auf den nahen und fernen Infrarotbereich
ur.c darüber hinaus erstrecken.
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Anhand der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel und die Funktionsweise
des Beugungsgitters näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine optische Anordnung für
die Erzeugung der Farbauszüge, Fig. 2 zwei Ausführungsbeispiele von Beugungsgittern
mit Furchenprofilen in Treppenform, Fig. 3 die spektrale Verteilung des Lichtes
auf die Beugungsordnungen bei Verwendung von Beugungsgittern mit Furchenprofil nach
Fig. 2, Fig. 4 eine optische Anordnung zur Beseitigung der Farbdispersion in den
abgebeugten Ordnungen.
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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.
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-1. Ordnung im roten Licht erscheint. Beispielsweise kann auch die
nullte Beugungsordnung im roten oder blauen Licht erscheinen und die beiden ersten
Beugungsordnungen in grün und
blau bzw. grün und rot. Setzt man
ein derartiges Gitter in die Pupille einer Abbildungslinse, so entstehen statt des
normalen Bildes die entsprechenden Farbauszüge in blau, grün und rot nebeneinander.
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Die optische Anordnung nach Fig. 1 würde ohne Beugungsgitter G an
der Stelle des Farbauszuges g das normale Farbbild des Ob-3ekts Ob liefern. Mit
Beugungsgitter entstehen entsprechend dessen Beugungsordntmgen an dessen Orten Nebenbilder,
die bei hinreichender Aufspaltung zwischen den Beugungsordnungen im Verhältnis zur
Größe der Bilder getrennt nebeneinander in der Bildebene erscheinen. Das Furchenprofil
des Beugungsgitters (Phasengitter) wird nun so ausgeführt, daß z.B. an der Stelle
des zentralen Normalbildes 3etzt ein Grilnauszug, in den beiden ersten Ordnungen
3e ein Rotauszug und ein Blauauszug erscheinen.
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Das kann z.B. mit einem Furchenprofil nach Fig. 2a erreicht werden,
das aus einer tre?nenfdrz en Struktur besteht, die aus einem Dielektrikum mit Brechungsindex
n aufgebaut ist. Die geometrische Höhe (Dicke) der Treppenstufen wird dabei so gewählt,
daß der in ihnen erzeugte optische Gangunterschied (n-1) d (gegen Vakuum bzw. Luft)
ein ganzzahlige Vielfaches von #g ist, wobei #g die zentrale Wellenlänge des Lichtes
im Grünauszug bebedeutet:
(n-1)d1=K1 . #g; (n-1)d2 = K2 . #g (1)
d1 und d2 sind die geometrischen Dicken der beiden Sutfen nach Fig. 2a, K1 und K2sind
die entsprechenden Vielfachwerte, z.B.
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2 und 4 oder nur angenahert 2 und 4, was für die Herstellung von Vorteil
ist.
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Licht der Wellenlänge #g wird dann vom Beugungsgitter überhaupt nicht
abgebeugt, wogegen Licht anderer Wellenlänge X in Abhängigkeit von X aus dem direkten
Strahl herausgebeut wird.
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Durch Aufbau einer unsymmetrischen Trppe und gleichzeitig geschickte
Wahl der Zahlen K1 und K2 läßt sich erreichen, daß blaues Licht hauptsächlich in
eine erste Ordnung und gleichzeitig rotes Licht hauptsächlich in die andere erste
Ordnung abgebeugt wird. Die zu dem Furchenprofil der Fig. 2a gehörige spektrale
Lichtverteilung auf den direkten Strahl und die beiden ersten Beugungsordnungen
zeigt Fig. 3a. Die drei Kurven sind berechnet unter der Voraussetzung, daß der Brechungsindex
für das betrachtete Spektralgebiet von ca. 400 bis 700 nm nicht von der Wellenlänge
abhängt. An Stellen maximaler Intensität in einem Farbauszug haben die beiden anderen
Farbauszüge die Intensität null.
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Die Fig. 2a und 3a demonstrieren die Verhältnisse für einen besonders
einfachen Fall eines Furchenprodils, wobei überdies noch der Brechungsindex n als
konstant angesehen wurde. Andere Furchenformen entstehen bei geeigneter anderer
Wahl der Werte K und K2.
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Weiter können Furchenprofile aus mehr als zwei Treppenstufen (außer
der Grundstufe) bestehen, wobei dann wieder verschiedene, geeignete Wertkombinationen
K1, K2, K3 usw. gewählt werden können. Außerdem kann noch der Brechungsindex n und
sein Verlauf als Funktion der Lichtwellenlänge X durch Wahl geeigneter Dielektrika
in gewissen Grenzen eingestellt werden.
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Fig. 2b zeigt ein Beispiel für ein Furchenprofil mit drei Treppenstufen
(außer der Grundstufe). Es ist hier (n-1)d1 = K1 . #r, (n-1)d2 = K2 . #r, (n-1)d3
= K3 #r, (2) d.h. die entsprechenden Gangunterschiede in den Stufen sind Vielfache
von #r, einer Wellenlänge im roten Spektrum des sichtbaren Lichts. Hier entsteht
der rote Farbauszug aber im zentralen, ungebeugten Licht, d.h. der nullten Beugungsordnung
des Gitters. Die Vervielfachungswerte K1, K2, K3 sind hier 1.07,2.87, 3.95, also
angenähert 1,3 uiid 4. Außerdem ist für n eine Dispersion von 3 " (ein üblicher
Wert) im Spektralbereich 400 bis 700 nm angenommen, und die Treppenstufen (vgl.
Fig. 2b) sind unterschiedlich breit (die beiden mittleren Stufen sind ca. 50 % breiter
als die höchste Stufe).
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Die zu dem Gitterprofil nach Fig. 2b gehörige spektrale Lichtver teilung
ist in Fig. 3b wiedergegeben. Diese Farbauszugskurven stellen eine gute Näherung
für die spektralen Verteilungskurven
dar, die bei Farbfernsehkameras
gefordert werden.
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Es gibt also eine Vielzahl von Furchenprofilen, die in Beugungsgittern
zur Erzeugung von Farbauszügen geeignet sind. Sie unterscheiden sich durch verschiedene
Spektralverteilungen (Spektralbänder) für die Farbauszüge (Beispiel Fig. 3), wobei
ggf. auch höhere als erste Beugungsordnungen benutzt und mehr als drei Farbauszüge
erzeugt werden können.
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Von besonderer Wichtigkeit sind treppenförmige Furchenprofile (vgl.
Fig. 2) mit einer geringen Anzahl von Treppenstufen und nicht zu großen Werten K1,
K2, K3 usw. Treppenförmige Furchenprc,file mit Treppenstufen, in denen optische
Wegedifferenzen von Vielfachen einer bestimmten Wellenlänge entstehen, haben den
besonderen Vorteil, daß der zu dieser Wellenlänge gehörende Farbauszug als zentrales,
unabgebeugtes Bild nullter Ordnung auf der optischen Achse entsteht. Dieses zentrale
Bild zeigt nämlich keinerlei Farbdispersion.
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Die nicht-zentralen Bilder zeigen je nah spektrale Breite dc Farbauszuges
mehr oder weniger Farbdispersion, sind also in einer Richtung (der Richtung der
Aufspaltung durch das Gitter) verwaschen, d.h. von geringerer Auflösvlng als in
der anderen Richtung.
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Diese geringere Auflösung infolge Die se n komt bis zu gewissen Grade
bei einigen Anwendungen toleriert werden. So können beim Farbfernsehen die Farbsignale
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.
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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 ursprünglichen
Farbauszug (z.B. r1 in Fig. 4) auftretende Dispersion wird mittels Abbildung durch
ein Gitter G' kompensiert. Dieses Gitter kann z.B. ein Beugungsgitter nach der Erfindung
sein.
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Mit Vorteil wird man Jedoch hier ein solches Gitter einsetzen, dessen
Furchenprofil mit dem Ziel eines möglichst geringen Lichtverlustes im betreffenden
Farbauszug optimiert ist.
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Eine andere Möglichkeit einer zumindest angenäherten Beseitigung der
Dispersion besteht in dem Einsatz eines Prismas an Stelle des Gitters G' (Fig. 4).
In Jedem Fall ist eine geometrische Trennung der nach Fig. 1 entstehenden Bilder
notwendig, was ohne Lichtverlust, z.B. durch Spiegel, erfolgen kann. Die Beseitigung
der Dispersion in den nicht-zentralen Bildern kann dann für alle diese Bilder gleichzeitig
in einem Strahlengang erfolgen.
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