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Beschreibung zur Patentanmeldung Verfahren und Gerät zur Bestimmung
der Farbensehanomalie einer Testperson Die Erfindung betrifft ein Verfahren, bei
welchem einer Testperson zum Zwecke der Farbanomaliebestimmung zwei Testfelder angeboten
werden, von denen das eine farbvariabel, das andere helligkeitsvariabel ist.
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Etwa 8% der männlichen Bevölkerung und ca. 0,5% des weiblichen Bevölkerungsanteils
sind - meist erblich bedingt - farbsinngestört, d.h., sie empfinden und bewerten
gesehene Farben anders als der Rest der Bevölkerung. Dies äußert sich unter anderem
und insbesonder darin, daß es im Bereich der dem Farbtüchtigen unterscheidbaren
Farben, heutzutage bevorzugt dargestellt im Farbdreieck (Fig. la), bestimmte Farben
gibt, die für den Farbsinngestörten nicht voneinander unterscheidbar sind; sie liegen
im Farbdreieck längs der sog. "Verwechslungslinien" (Fig. lb,c,d). Dabei unterscheidet
man zwischen verschiedenen Grundtypen der Farbsehschwäche der Protanomalie = Rotschwäche
(Fig. lb), der Deuteranomalie = Grünschwäche (Fig. lc> und der (allerdings sehr
seltenen) Tritanomalie = Blauschwäche (Fig. ld). Dabei kann eine solche Farbsehschwäche
in verschiedenen Gradmaßen bestehen, von einer leichten "Anomalie" bis zur völligen
"Anopie" (Protanopie, Deuteranopie, Tritanopie).
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Die bekannten Verfahren zur Prüfung von Farbsinnstörungen basieren
sämtlich darauf, der zu untersuchenden Person in irgendliner Form Testfelder in
räumlicher Nachbarschaft zueinander dazu
zubieten, welche Verwechslungsfarben,
jeweils typisch für die zu untersuchende Farbsinnstörung, enthalten. Unter ihnen
gibt es insbesondere zwei Verfahren, die sich in langjähriger Anwendung bewährt
haben und stärkere Verbreitung gefunden haben.
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1. Die sogenannten 11pseudo-isochromatischen Tafeln" (Ishihara, Stilling-Hertel
etc.). In ihnen sind aus einzelnen Farbpunkten, die in den jeweiligen Verwechslungsfarben
gehalten sind, Buchstaben, Zahlen oder Symbole zusammengesetzt, die für den Farbtüchtigen
lesbar sind, für den Farbsinngestörten jedoch nicht erkennbar oder die, in einzelnen
Fällen, sogar zur Erkennung falscher Zeichen führen. Ihr V o r t e i 1 liegt in
einer relativ leichten Handhabbarkeit selbst für weniger oder gar nicht fachversierte
Prüfer. Der N a e h t e i 1 besteht in einer nur qualitativen Möglichkeit, festzustellen,
ob ein gewisser Grad an Farbsehanomalie erreicht bzw. überschritten wird. Es wird
sich also im allgemeinen zur genaueren Bestimmung der Art und des Grades der vorliegenden
Farbsehanomalie eine quantifizierende Prüfung anschließen müssen. Sie wird meist
mit einem sog. "Anomaloskop" durchgeführt, von denen das Anomaloskop nach NAGEL
das älteste (Einführung im Jahre 1907) und verbreitetste ist.
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2. Beim Anomaloskop nach Nagel wird ein kleines, kreisrundes und
zweigeteiltes Gesichtsfeld von der Testperson durch ein Okular hindurch betrachtet.
Zur Beleuchtung der beiden Gesichtsfeldhälften wird Licht benutzt, welches durch
ein Prismenspektroskop farblich aufbereitet wurde. Eine der beiden Gesichtsfeldhälften
wird mit Licht der Wellenlänge 589,3 nm ausgeleuchtet (bei relativ kleiner spektraler
Breite des benutzten Lichtes; der Seheindruck eines Farbtüchtigen ist gelb), die
andere mit einer additiven Mischung der beiden Wellenlängen 671 nm und 546,lnm (mit
ebenfalls schmalen Bandbreiten; Seheindruck für einen Farbtüchtigen von rot über
gelb bis grün variierend). Farbgleichheit wird für einen farbtüchtigen Prüfling
bei Farbvariation des Mlschfeldes nur für ein ganz bestimmtes Mischungsverhältnis
von rot (671 nm) und grün (546,1 nm) erzielt. Auch das helligkeitsvariable Gelbfeld
wird er innerhalb enger Toleranzen stets auf Wert gleichenWert einstellen, um Helligkeitsgleichheit
zum Milch erzielen. Der Farbanomale dagegen nimmt einen mehr oder
minder
breiten Spielraum von Mischfarbeneinstellungen als farbgleich mit dem Gelbfeld wahr,
und auch die Variationsbreite#n der Helligkeitseinstellung des Gelbfeldes, innerhalb
derer er gleiche Helligkeit bei beiden Feldern registriert, ist vergrößert.
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Neuere Ausführungen des Nagel'schen Anomaloskops besitzen darüber
hinaus eine Möglichkeit zur Diagnose der Tritanomalie bzw. Tritanopie. Dabei muß
vom Prüfling ein Mischfeld mit Spektralfarben der Wellenlängen 518,5 nn (blaugrün)
und 464,5 nm (indigo) verglichen werden mit einem Feld, das von Licht der Wellenlänge
486,1 nm (blau) beleuchtet wird; dem blauen Licht ist zum Zwecke der En tsättigun
g (passende Verwechslungsfarbe muß erreicht werden) ein wenig weißes Licht zugemischt.
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Der V o r t e i 1 des Nagel'schen Anomaloskops ist die Benutzung
sehr gut definierter Spektralfarben und die nach Maß und Zahl erfolgende Ausmessung
der Farbfehlsichtigkeit. Sein N a c h t e i 1 besteht in der aufwendigen Präzisionsmechanik,
die gegen äußere Verstelleinflüsse anfällig ist und die außerdem hohe Fertigungskosten
erzeugt. Außerdem stört für manche Anwendungszwecke die wenig große Handlichkeit
sowie der Zwang, in das enge Okular eines l'fremdent'Gerätes blicken zu müssen,
dem sich längst nicht jede Testperson ohne weiteres zu unterwerfen bereit ist.
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Andere Anomaloskope (z.B. nach Pickford) benutzen Licht, das durch
Farbfilter halbwegs monochromatisch gemacht wird und anschließend additiv gemischt
wird. Doch auch hier bringt es die technische Ausführung mit sich, daß ein gewisses
Gerätevolumen nicht unterschreitbar ist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Au f g a b e zugrunde, ein
Verfahren nebst einem dazu benutzbaren Gerät zu entwickeln, mit dessen Hilfe 1.
Farbsehprüfungen mit quantitativen Ergebnissen durchgeführt werden können, wie es
beim Nagel-Anomaloskop der Fall ist, jedoch ohne die dort aufgeführten nachteiligen
Begleitumstände. Insbesondere soll die Mechanik simpel und robust sein, auf Dauer
keine Verstellung der einmal erfolgten Eichung möglich sein, das Volumen klein (flaches
(flaches Gerät) und die Handhabung ähnlich einfach
sein wie bei
den bekannten Farbtafeln.
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2. Die Nachteile der häufig benutzten Farbtafeln (lediglich Da-Nein-Entscheidung)
sollen vermieden werden.
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E r f i n d u n g s g e m ä ß wird diese Au f g a b e g e -1 ö s t
durch die Anwendung einer Kombination mehrschichtiger Polarisationsinterferenzfilter.
Diese bestehen prinzipiell aus zwei oder mehr Polarisationsfilterr#owie aus einer
oder mehreren doppelbrechenden Platten (engl. t'retarder"). Die Anordnung ist dabei
Polarisator-Retarder-Polarisa tor-Retarder-Polarisetor.... usw. Die einfachste Anordnung
besteht aus Polarisator-Retarder-Polarisator(Fi#3i).Ihr Transmissionsgrad in Abhängigkeit
von der Wellenlänge ist in Fig. 2 dargestellt. Die Wellenlänge ist dabei in Einheiten
der optischen Dickendifferenz des Retarders D=d-( n1 - n2 ) dargestellt, Hierin
ist d die Materialdicke und nl sowie n2 sind die Brechzahlen des Materials in den
beiden zueinander senkrechten Hauptachsenrichtungen des Retarders. Die Größe D=d.(
nl - n2 ) hat für einen Retarder einen ganz bestimmten Wert, der bei den technisch
bequem dafür benutzbaren verstreckten Kunststoffolien vom Grade der Verstrekkung
abhängig ist. Man kann den Kurven unschwer entnehmen, daß, je nach Größe der optischen
Dickendifferenz Di eine sehr unterschiedliche Anzahl und Anordnung von Maxima und
Minima im sichtbaren Spektralbereich zu liegen kommt. Man kann somit durch passende
Wahl von D ein in gewissen Grenzen frei gestaltbares Transmissionsspektrum im sichtbaren
Spektralbereich etablieren. Bedenkt man ferner, daß Fig. 2 lediglich die Situation
für eine bestimmte Winkellage der drei Elemente Polarisator (P1), Retarder (R) und
Analysator (P2> zueinander zeigt, so findet man, daß sich das Spektrum auf einfache
Weise durch bloßes Verdrehen von R und P2 noch unterschiedlich manipulieren läßt.
Davon wird bei der erfindungsgemäßen Verwendung Gebrauch gemacht. Durch passende
Wahl der Größe D wird erreicht, daß ein Maximum und das dazu gehörige benachbarte
Minimum der Kurve auf zwei Wellenlängen fallen, die den Verwechslungsfarben eines
Farbsehanomalen zuzuordnen sind (s. Fig. 3a). Bei Verdrehen des Analysators P2 vertaufachen
Maximum und Minimum ihre Rolle, so daß man der Reihe nach
alle zwischen
den beiden Verwechslungsfarben liegenden Farbtönungen durchläuft (Fig. 3b,c,d).
Es stören dabei allerdings weitere, zwangsl#ufig innerhalb des sichtbaren Bereiches
liegende Maxima, die sich jedoch durch Vorschalten eines Kantenfilters (in Fig.
3e z B. das Schott-Filter GG 495) unterdrücken lassen.
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Die Wirkung des Kantenfilters auf das Spektrum 3a zeigt Fig. 3f.
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Um spektral reinere Verwechslungsfarben zu erzeugen, bietet sich aerdem
die Möglichkeit an, ein weiteres Polarisationsinterferenzfllter hinzuzuschalterls
bei welchem zwei benachbarte M a -x i m a mit den beiden Wellenlängen der Verwechslungsfarben
koinzidieren (Fig. 3g; in Kombination mit dem Filter 3e ergibt sich das Spektrum
3h). Die Addition dieses Filters zum Filter der Kurven 3a - 3d liefert eine Transmissionskurve,
deren zwei Höcker hinreichend schmalbandig sind sowie von der Intensität her stufenlos
gegeneinander variierbar, und zwar durch bloßes Verdrehen eines Polarisationsfilters
P4 (Filteranordnung Fig.4f, Spektren ersichtlich aus Fig.4 a-d ). Der dabei erzielten
Variation im Spektrum entspricht eine Variation des Farbortes im Farbdreieck (Fig.
4e), die bei passender Wahl der Filter längs einer Verwechslungslinie erfolgt, im
Falle der Fig. 4 zum Beispiel längs einer Verwechslungslinie, wie sie in fast gleicher
Weise für Prot- und Deuteranomale auftritt (vgl. Fig. lb,c). Für Tritanomale würde
sich die Benutzung einer Filterkombination mit den dazu gehörigen Spektren und Verwechslungslinien
anbieten, wie sie aus der FigurS#f hervorgehen. Das benutzte Prinzip des Hintereinanderschalten
zweier Polarisationsinterferenzfiltertplus Abschwächungspolarisator)ist dasselbe
wie in Fig. 4, lediglich das Kantenfilter kann entfallen. Die Filterdaten gehen
aus den Einzeldarstellungen hervor.
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Das Prinzip einer Untersuchung mit Verwechslungsfarben besteht nun
darin, dem Prüfling zwei unterschiedliche, miteinander verwechselbare Farben anzubieten.
Eine dieser beiden Farben wird - variabel - durch die vorstehend geschilderte Filteranordnung
aus dem Lichte einer Lampe mit kontinuierlichem Spektrum (z.B.
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#iÜhlampe) erzeugt. Die zweite Farbe wird, gemäß der Erfindung, dßrctl
ein zweites, benachbartes, von derselben Lichtquelle beleuchtetes Filter erzeugt.
Es muß farblich so beschaffen sein, daß sein Farbort im Farbdreieck in etwa mitten
auf dem Verwechslungsfarbenzug zu liegen kommt. Das bedeutet für den im Falle der
Fig. 4 zur Untersuchung auf Prot- und Deuteranomalie benutzten Verwechslungsfarbenzug,
daß das Filter wegen der Lage in der unmittelbaren Nähe des Spektralfarbenzuges
relativ schmalbandig sein muß. Ein Filter dagegen, welches zur Untersuchung der
Tritanomalie in Verbindung mit dem Verwechslungsfarbenzug der Fig.5e benutzt werden
soll, wird breitbandiger sein müssen und auch Weißanteile enthalten. Auch hier bietet
sich,für beide Zwecke,die Verwendung von Polarisationsinterferenzfiltern an. Schaltet
man mEhrere PRP-Stufen (Polarisator-Retarder-Polarisator) hintereinanders bei denen
Jeweils (durch passende Wahl der Größe D) die Maxima verschiedener Ordnungen bei
ein- und derselben Wellenlänge zu liegen kommen, so wird (siehe Fig.6~-h)in der
Multiplikation der Spektren, die ja beim Hintereinanderschalten der Filter zustandekommt,
letztlich nur dasjenige Maximum übrig bleiben, welches allen Filtern gemeinsam ist:
ein relativ schmalbandiges Filter ist entstanden, dessen Durchlaßgrad durch Hinzuschalten
eines weiteren, drehbar angeordneten Polarisationsfilters beliebig variiert werden
kann. Während Fig. 6 die Auslegung eines möglichen Monochromfilters zur Messung
der Prot- und Deuteranomalie in Verbindung mit dem Farbwechselfilter der Fig. 4
zeigt, verdeutlicht Fig.7#-f ein Monochromfilter, welches in Verbindung mit dem
Filter gemäß Fig. 5 die Untersuchung auf Tritanomalie ermöglicht.
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Da der Farbton des Monochromfilters, wie oben bereits angedeutet,
inmitten des Verwechslungsfarbenzuges der Fig. 5e und somit also im Innern des Farbdreiecks
liegen muß, muß das Monochromfilter einen gewissen Weißanteil enthalten. Dies wird
auf einfache Weise dadurch bewerkstelligt, daß der Winkel zwischen den aufeinander-~folgenden
Polarisatoren und Retardern nicht bei 450 und 900 bzw.
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tt liegt, sondern daß vielmehr dazwischenliegende Winkel benutzt werden,
mit denen eine korrekte Lage der Filterfarbe im Farbdreieck gewährleistet wird:
die Minim reichen in diesem Falle nicht bis zum Wert O für den Transmissionsgrad
herunter, sondern nur
bis zu einem endlichen Minimalwert, dessen
Höhe durch die WinkeL-stellung der Polarisatoren und Retarder beliebig beeinflußbar
ist und bei passender Wahl genau den richtigen Farbort ergibt.
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Bei der Filterpaarung für Prot- und Deuteranomalie ist es am zweckmSßigstenS
das zusätzlich notwendige Farbfilter zur Ausschließung unerwünschter Nebenmaxima
gleichzeitig vor beiden Teilfiltern des Systems (Farbwechselfilter einerseits und
Monochromfilter andererseits) anzuordnen, da die Farbbereiche, die mit ihrer Hilfe
ausgeschlossen werden, für beide Filter in gleicher Weise unerwünscht sind.
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Will man eine Vorrichtung erhalten, die sowohl zur Untersuchung auf
Prot- und Deuteranomalie als auch zur Untersuchung auf Tritanomalie benutzt werden
kann, so muß man die jeweils benötigten Filterpaarungen (gemäß Fig. 4f+6g, bzw.
gemäß Fig.5f+7e) auf einem gemeinsamen Wechselschieber gegeneinander austauschbar
anordnen, wobei in edem Falle das letzte, drehbare Polarisationsfilt<t apparat
angebracht ist und den Wechsel nicht mit vollführt.
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Eine Beschränkung auf relativ schmale spektrale Bereiche, innerhalb
derer die Filter durchlässig sind, ist notwendig, um Farben einstellen zu können
9 die auf dem Spektralfarbenzug liegen; die Verwechslungslinie, die zur Untersuchung
auf Prot- und Deuteranomalie ausgewählt wurde, liegt insgesamt in unmittelbarer
Nähe des Spektralfarbenzuges, bei der Verwechslungslinie zur Untersuchung auf Tritanomalle
sind es immerhin die Enden. Die vorausgehend geschilderten Filter benutzen zur Erreichung
dieses Zieles mehrere hintereinandergeschaltete PRP-Stufen. Es bietet sich dazu
auch noch eine andere Methode an, die zwei relative Vorzüge bietet: zum einen reduziert
sich die Anzahl der hintereinandergeschalteten Filterkomponenten, zum anderen ist
die spektrale Reinheit der benutzten Farben noch größer. Gedacht ist hierbei an
die Verwendung schmalbandiger Interferenzfilter, wie sie für Jede gewünschte Durchlaßwellenlänge
beziehbar sind (z.B.
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Schott Linienfilter A3; typisches, jedoch von der Wellenlänge her
willkürlich gewähltes Beispiel eines solchen Filters s. Fig.9).
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Die genannten Filter A3 besitzen im sichtbaren Spektralbereich prei
Durchlaßmaxima, deren Wellenlängen sich zueinander verhalten et## wie 0,85 : 1,0
: 1,2 . Für die Benutzung in einem Farb-
wechsel filter ist damit
eine Anordnung nach Art der Fig. 8 angebracht: das Filter FO besorgt als Kantenfilter
die Aufgabe, das dritte, unerwünschte Maximum abzublocken. Das Polarisationsfilter
P1 erzeugt in Verbindung mit dem Polarisationsfilter P2 eine auf das simultan gesehene
Monochromfilter abgestimmte Helligkeitsreduktion. Das Schmalbandinterferenzfilter
F1, welches ebenso gut vor oder hinter sämtlichen anderen Filtern angeordnet werden
kann, erzeugt, wie oben bereits erläutert, eine schmalbandige Selektion der beiden
Hauptverwechslungsfarben. Das Polarisationsinterferenzfilter F2 schließlich ermöglicht
einen stufenlosen Übergang zwischen den beiden Hauptverwechslun gsfarben. Die Daten
zur speziellen Dimensionierung für die drei Arten von Farbsehanomalie sind der Fig.
8 zu entnehmen.
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Sofern das Monochromfilter eine Farbe beinhalten muß, deren Farbort
im Farbdreieck in unmittelbarer Nachbarschaft des Spektralfarbenzuges liegt, um
sich auf der Verwechslungslinie zu befinden, bietet sich auch hier die Benutzung
eines Interferenzfilters an, bei welchem nunmehr alle Maxima bis auf ein einziges
durch Filter abgeblockt sind (fertig beziehbar, z.B. ebenfalls Schott Interferenzfilter
A3, 573 nm, mit Abblockung, o.ä.). Die stufenlose Veränderung des Transmissionsgrades
im durchgelassenen Bereich wird durch eine nachgeschaltete Anordnung zweier Polarisatoren
bewerkstelligt, von denen der zweite gegenüber dem ersten verdrehbar ist. Die vorstehend
erläuterte Anordnung ist verwendbar in Verbindung mit dem Farbwechselfilter zur
Messung der Prot- und Deuteranomalie gemäß Fig. 8a. Hingegen ist zur Messung der
Tritanomalie zwar das Farbwechselfilter unter Benutzung eines Schmalbandinterferenzfilters
ausführbar, nicht jedoch das Monochromfilter, da diesem der notwendige Weißanteii
dabei fehlen würde (die Intensität geht in der Nachbarschaft der Durchlaßwellenlänge
sehr schnell auf Null zurück). Deshalb muß hierfür auf eine Anordnung ohne Interferenzfilter
zurückgegriffen werden. Die Daten für das in Verbindung mit dem Farbwechselfilter
der Fig. 8b brauchbare Monochromfilter Lauten: P1 bei Oo R1 bei 410 , D=340 nm |P2
bei 0
P3 variabel von Oo bis 90 Um bezüglich der Stellungen von
Farbwechselfilter und Monochromfilter reproduzierbare Ergebnisse zu erhalten, muß
man eine Lichtquelle mit festgelegter, konstanter Farbtemperatur benutzen.
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So sind sämtliche in dieser Schrift angeführten Filter für die Benutzung
einer Lichtquelle der Farbtemperatur 3000 K dimensioniert. Ein anderer Strahler
ergäbe ander Farborte im Farbdreieck, und damit würden andere Winkelstellungen der
beiden für Farbe bzw. Helligkeit zuständigen Polarisationsfilter einen Schluß auf
eine möglicherweise gar nicht vorhandene Farbfehlsichtigkeit nahelegen. Als Lichtquelle
wird somit am zweckmäßigsten eine (oder auch mehrere) Glühlampen benutzt, deren
Farbton bei Alterung durch eine regelbare Stromzufuhr nachzuregeln ist. Diese kann
unmittelbar vor den Filtern angeordnet und direkt mit dem Gerät verbunden sein;
sie kann aber auch in einen separaten Leuchtkasten integriert sein, auf welchen
das Gerät dann aufgelegt wird. In jedem Falle sollte ein weißes Umfeld gleichzeitig
von dieser Lampe mit beleuchtet werden, damit das zu untersuchende Auge durch vorherigen
Blick auf dieses Umfeld in eine farbliche Neutralstimmung versetzt werden kann.
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In einer weiteren Ausformung der Erfindung können sämtliche genannten
Filter auch so ausgelegt werden, daß andere Verwechslungslinien für die genannten
Farbsehanomalien durchfahren werden. Es bedarf dazu lediglich einer Anderungdes
Wertes D der bebenutzten Retarder, bzw., bei den Interferenzfiltern, einer Änderung
der benutzten Durchlaßwellenlängen. Das Monochromfilter müßte zudem, in Abweichung
von der unter Prot- und Deuteranomalie beschriebenen Ausführung, zum Zwecke der
Zumischung eines bei fast allen anderen Verwechslungslinien notwendigen Weißanteils
(s. Fig.2) eine Winkelstellung von Retarder und Polarisator erhalten, die von 450
bzw. 900 abweichen.
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In Abweichung von allen bisher aufgeführten Anordnungen sind auch
solche erzeugbar, bei denen die Farbvariation des farbvariablen Polarisationsinterferenzfilters
durch einen winkelvariablen Retarder hervorgerufen wird: durch seine Winkelveränderung
tird zwischen einer helleren Farbe und ihrer mehr oder weniger dunklen Komplementärfarbe
gewechselt. Auf diese Weise läßt sich
erreichen, daß das farbvariable
Feld für den Farbtüchtigen (subjektiv) stets in gleicher Helligkeit erscheint; dies
ergibt sich aus der Berechnung des vom Auge bewerteten Gesamttransmissionsgrades
für die genannten Farbwechsel. Ein allgemeines Beispiel für einen Farbwechsel durch
Winkelvariation eines Retarders ist in Fig. 10 aufgeführt.
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Zur Bewertung heranzuziehende Literatur: 1. Ernst Heinsius, Die Farbsinnstörungen
und ihre Prüfung in der Praxis, F.Enke Verlag, Stuttgart, 1973 2. Bergmann Schaefer,
Lehrbuch der Experimentalphysik, Bd.3, (4. Aufl, 1966, S 380 ff.)