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Optische Vorrichtung zur Aufteilung eines Lichtbündels und zur Wiedervereinigung
von (aufgeteilten) Lichtbündeln Die Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung,
mit welcher ein (annähernd paralleles) Lichtbündel praktisch verlustlos in ein (oder
mehrere) räumlich getrennte Teilbündel aufgeteilt werden kann, die einzeln in ihrer
Intensität, ihrer spektralen Zusammensetzung oder ihrem Schwingungszustand oder
gleichzeitig in mehreren dieser Eigenschaften verändert und dann wieder zu einem
einheitlichen Bündel ohne Änderung der ursprünglichen Abbildungsqualitäten vereinigt
werden können.
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Bei den bisher bekannten Anordnungen dieser Art, welche hauptsächlich
für photometrische oder interferometrische Zwecke Verwendung finden, wird das primäre
Lichtbündel durch einen mehr oder weniger lichtabsorbierenden teildurchlässigen
Spiegel in zwei Teilbündel zerlegt, die nach Durchlaufen von Meßstrecken bzw. Filtern
oder sonstigen zu vergleichenden optischen Elementen wieder über einen zweiten teildurchlässigen
Spiegel vereinigt und sodann durch die entstehende Interferenzerscheinung bzw. Intensitätsänderung
zur Messung gelangen. SolcheMeßanordnungenhaben, abgesehen davon, daß bei einer
Lichtteilung von i : i die Lichtausbeute theoretisch günstigstenfalls nur 50 °/o
betragen kann - bei den üblichen Lichtteilungs-'spiegeln wegen der Absorption sogar
nur etwa 25 % - den Nachteil, daß für ihre Anwendbarkeit meist nur ein geringer
Spielraum besteht. Beispielsweise läßt sich ein Gerät zur interferometrischen Messung
von Gangunterschieden nicht ohne weiteres
auch zur Herstellung beliebiger
Polarisationsgrade oder Schwingungszustände eines Lichtbündels oder zur beliebigen
Intensitätsschwächung ohne Polarisation und Änderung der Bündelbegrenzung benutzen.
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Die Erfindung löst die Aufgabe, ein Lichtbündel in zwei räumlich getrennte
Bündel verlustlos zu teilen und die Teilbündel wieder verlustlos zu vereinigen,
durch eine Vorrichtung, welche eine ganze Reihe verschiedener optischer Probleme
zu bearbeiten gestattet. Sie besteht aus zwei (oder mehreren) symmetrisch oder spiegelbildlich
zueinander angeordneten Interferenzpola@risatoren, die vom Licht so durchlaufen
werden, daß das im ersten (bzw. in der ersten Hälfte) aufgespaltene Bündel im zweiten
(bzw. in der zweiten Hälfte) wieder vereinigt wird, wobei sich gegebenenfalls im,
Lichtweg zwischen den Interferenzpolarisatoren optische Elemente befinden, welche
die Länge des Lichtweges, die Intensität, die spektrale Verteilung, den Schwingungszustand
und/oder den Polarisationsgrad eines oder beider (bzw. mehrerer) Teilbündel beeinflussen.
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Die Wirkungsweise einer solchen Vorrichtung sei durch die Figuren
näher erläutert. Die einfachste Ausführungsform stellt Fig. i dar. Hierin bedeuten
io und ii je einen Interferenzpolarisator, der in bekannter Weise aus einem zwischen
Prismen oder auf schräg zum Strahleneingang gestellten Glasplatten liegenden System
von abwechselnd hoch und niedrig brechenden Interferenzschichten 12 besteht. Der
einfallende Lichtstrahl, dessen Intensität 1o sei, wird beim Auftreffen auf die
Schichten 12 in eine parallel zur Einfallsebene schwingende durchgehende Komponente
Io und eine senkrecht dazu schwingende reflektierte Komponente IR zerlegt. Die letztere
wird an den Grenzflächen 13, 14 der Prismen total oder durch einen Metallbelag reflektiert
und im zweiten Polarisator i i wieder mit der ersten. Strahlkomponente durch Spiegelung
an dessen Schichtensystem 12 vereinigt, so daß das Gesamtbündel I wieder unpolarisiert
ist. Zwischen den beiden Polarisatoren können wahlweise z. B. Farbfilter 15, 16
eingesetzt werden; mittels der gesamten Vorrichtung lassen sich dann additive oder
subtraktive Mischungen zweier Farbkomponenten erzielen.
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Setzt man anstatt der Farbfilter 15, 16 einen Polarisator (z. B. eine
Polarisationsfolie) ein, der von beiden Strahlenteilen durchsetzt wird, und bildet
dieser in bezug auf seine Schwingungsrichtung mit der Einfallsebene der Polarisatorschichten
12 den Winkel u, so ist die Intensität der beiden Teilbündel nach Durchgang durch
den Mittelpolarisator, wenn man von Absorptions- und Reflexionsverlusten absieht,
gleich 1/21o cos 2 u bzw. i/2Io sin 2 u, die austretende Gesamtintensität alsoaI
=1/2'7o (sin4u + cos4u). Läßt man den Mittelpolarisator um die. Lichtrichtung als
Achse umlaufen, so erhält man also eine periodische Schwächung der Lichtintensität,
die dabei im Minimum (at = 450) auf die Hälfte absinkt. Der Polarisationsgrad, der
bekanntlich als Quotient aus Differenz und Summe der parallel und der- senkrecht
zu einer Bezugsebene (z. B. der Einfallsebene) schwingenden Komponente definiert
ist, ergibt sich dabei zu P = cos 2u/ (cos4u + sin4u), schwankt also bei variablem
u zwischen den Werten o und i. Will man eine variable Schwächung der Intensität
des Bündels bis zur völligen Auslöschung, aber keine Polarisation, so gelingt dies
mit den gleichen Elementen, wenn sie in einer Vorrichtung gemäß Fig.2 kombiniert
werden. Sie unterscheidet sich gegenüber der soeben beschriebenen Anordnung dadurch,
daß der lichtbündelvereinigende zweite Interferenzpolarisator 21 um ißo° gegenüber
dem ersten, 2o, um eineparallelzurLichteinfallsrichtung liegenden Achse verdreht
ist. Die Intensität des austretenden vereinigten Bündels ist in diesem Fall als
Funktion der Orientierung u des Mittelpolarisators 22, dessen Durchlässigkeit für
parallel polarisiertes Licht Dp betrage, gegeben durch
I = 1/41o Dp_. sing
2 u, schwankt also zwischen o und I" - D"/4. Der Polarisationsgrad ist dabei
| P _ (sing u COS2 u -
cos2 u sing u) - 0. Die gleiche |
| (sin xs cos u -@- cos u sin u) |
Wirkung, jedoch praktisch ohne Schwächung der Eingangsintensität im Maximum, läßt
sich erzielen, wenn man den drehbaren Mittelpolarisator 22 durch eine doppelbrechende
Platte oder Folie ersetzt, deren Gangunterschied eine mittlere halbe Wellenlänge
(oder ein ungradzahliges Vielfaches davon) der durchgehenden Strahlung beträgt;
es gilt hier, wenn udasAzimut der Hauptschwingungsrichtungen in der Platte mit der
Bezugsebene bezeichnet,
I = Io - sing
2 u, P - o. Diese erfindungsgemäßen
Lichtschwächungsvorrichtungen haben den großen Vorteil gegenüber bekannten Anordnungen,
daß die Schwächung ohne Änderung des Schwingungszustandes, der Bündelöffnung und
des Lichtweges erfolgen kann.
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Bei anderen optischen Untersuchungen besteht umgekehrt die Aufgabe,
ein Lichtbündel von konstanter Intensität I, aber beliebig variablem Polarisationsgrad
P zu erzeugen. Auch dieses Problem, das bisher nur sehr unbefriedigend zu lösen
war, läßt sich mit einer Vorrichtung gemäß der Erfindung in einfacher Weise bewältigen.
Eine Ausführungsform hiervon zeigt Fig. 3 a. In dieser bezeichnen 30 und
31 wieder die Interferenzpolarisatoren in »antisymmetrischer« Orientierung, während
32-33 einen unterteilten Polarisator (vorzugsweise eine Polarisationsfolie) darstellt,
dessen linkes Feld 32 in der Durchlaßrichtung um 45° gegenüber dem rechten Feld
33 verdreht orientiert ist. Bedeuten uL und uR die Azimute der Orientierung in den
beiden Feldern, so gilt also uL = 45 ± ztR,
(cos2uL sin2uZ + cos2uR sin2uR)
(sing 2 uR + cos' 2 uR)
P = cos 4uR. Der zusammengesetzte Polarisator 32-33 kann dabei z. B. in der in Fig.
3 b skizzierten Weise ausgebildet
sein, indem etwa die vom linken
Strahlenbündel L durchsetzte Folie 32 mindestens den dreifachen Durchmesser des
Bündels L aufweist, wobei ein in ihrer Mitte befindlicher kreisförmiger Ausschnitt
vom Durchmesser des rechten Strahlenbündels R von der Folie 33 bedeckt ist, welche
in ihrer Schwingungsrichtung um 45° gegen die Folie 32 orientiert ist.
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Das gleiche Ergebnis, nämlich veränderlicher Polarisationsgrad bei
konstanter Intensität, läßt sich noch günstiger mit einer noch einfacheren Vorrichtung
erreichen. Bei dieser benötigt man nur zwei spiegelbildlich unmittelbar hintereinandergeschaltete
Interferenzpolarisatoren, in welche das Licht nach Durchlaufen eines drehbaren Linearpolarisators
eintritt. Bedeutet Du die Durchlässigkeit des letzteren für urpolarisiertes
Licht, so hat der austretende Strahl offenbar die konstante Intensität von I0 -
D, Ist der vorgeschaltete Linearpolarisator um 45° zur Einfallsebene der Interferenzpolarisatoren
orientiert, so ist das austretende Licht urpolarisiert. Das soeben beschriebene
hintereinandergeschaltete Interferenzpolarisatorenpaar kann also gleichzeitig auch
als vollständiger (oder teilweiser) Depolarisator für polarisiertes Licht verwendet
werden, der dabei praktisch weder die Geometrie noch die Intensität des Bündels
verändert.
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Wie weiterhin gefunden wurde, empfiehlt es sich, in den Fällen, wo
auch ein Polarisationsgrad möglichst nahe i einstellbar sein soll, die Umlenkung
des einen Strahlenbündels an den Prismenflächen 13,
14 (Fig. i) nicht durch
totale oder metallische Reflexion zu bewirken, sondern hier nochmals polarisierende
Schichten anzubringen, welche an ihrer an Luft grenzenden Außenfläche geschwärzt
sind. Dadurch wird die Polarisation des reflektierten Bündels in einem größeren
Winkelbereich verbessert, so daß auch nicht parallele Strahlenbündel mit besserem
Wirkungsgrad verwendet werden können.
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Die die Strahlenteilung bewirkenden polarisierenden Schichten müssen
bekanntlich für optimale Polarisation von den einfallenden Strahlen unter einem
Winkel getroffen werden, der durch die optischen Eigenschaften der Schichtenmaterialien
und des einschließenden Glases bestimmt wird. Es sei betont, daß es zur Realisierung
des Erfindungsgedankens nicht nötig ist, diesen Winkel gleich 45° zu wählen und
dementsprechend bei gegebenen Schichtstoffen ein Spezialglas zu verwenden, sondern
man kann ebensogut von einem beliebigen Glas ausgehen und danach den zugehörigen
Winkel bestimmen. Bei Wahl entsprechender, zum Stand der Technik gehörender polarisierender
Schichtensysteme kann man sogar auf die einschließenden Prismen ganz verzichten
und nur schräg im Strahlengang stehende, mit dem Schichtensystem versehene planparallele
Platten verwenden.
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Das der Erfindung zugrunde liegende Prinzip der Aufteilung und Wiedervereinigung
eines Lichtstrahls läßt sich in Fällen, wo die Beibehaltung der ursprünglichen Strahlenrichtung
nicht von Bedeutung ist, durch eine Vorrichtung von etwas abgeänderter Bauart verwirklichen,
welche eine Reihe weiterer Anwendungen erschließt. Diese weist in ihrer einfachsten
Ausführungsform (Fig.4) nur einen Interferenzpolarisator 4o auf, der jedoch von
den aufgespaltenen Lichtstrahlen nach Rückspiegelung durch die Spiegel 41 und 42
ein zweites Mal durchsetzt wird und sich schließlich zum austretenden Bündel I vereinigt.
Zwischen dem Interferenzpolarisator und den beiden Spiegeln ist je ein Phasenverzögerungsplättchen
43, 44 von einem Viertelwellenlänge-Gangunterschied vorzugsweise mit solcher Orientierung
eingeschaltet, daß die Schwingungsebene des Lichtes nach der Reflexion am Spiegel
jeweils um 9o° gedreht ist. In diesem Fall verläßt das wiedervereinigte Bündel praktisch
verlustlos die Vorrichtung. Eine Einschaltung derselben optischen Elemente, wie
in Fig. i bis 3 gezeigt, vor die Spiegel 43, 44 führt dann zu entsprechenden Effekten
wie dort.
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Ordnet man die beiden Spiegelflächen mit den Phasenverzöb rern parallel
zueinander und so an, daß der Interferenzpolarisator dazwischen liegt und das reflektierte
Teilbündel an der ersten Spiegelfläche in sich zurückgespiegelt wird, den Polarisator
durchsetzt, dann am zweiten Spiegel nochmals zum Polarisator reflektiert und hier
mit dem durchgehenden Teilbündel wiedervereinigt wird (Fig. 5), so hat man wieder
ein als Depolarisator verwendbares optisches Element. Statt der Spiegel können hier
vorteilhaft auch totalreflektierende Prismen mit entsprechend angepaßten Phasenverzögerern
Verwendung finden.
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Die in Fig. 4 beschriebene Vorrichtung hat, abgesehen von ihrer baulichen
Vereinfachung, den weiteren Vorzug, daß sie, wie schon durch die äußerliche Ähnlichkeit
mit dem Interferometerprinzip von Michelson nahegelegt wird, zu interferometrischen
Messungen verwandt werden kann, vorausgesetzt, daß die Flächengüte des Polarisators,
der Spiegel und 2./4 Plättchen ausreichend ist. Gegenüber dem gewöhnlichen Michelson-Interferometer
hat man dabei aber neben einer höheren Lichtausbeute den Vorteil, daß die Messung
von Gangunterschieden zwischen den beidenTeilbündeln nicht durch ein Interferenzstreifen-
bzw. -ringsystem zu eifolgen braucht, sondern hier durch das noch wesentlich genauer
durchführbare Verfahren der Messung der relativen Phase der beiden in der Richtung
wiedervereinigten, aber senkrecht zueinander schwingenden Teilbündel ersetzt werden
kann. Das einfallende Bündel ist dabei zweckmäßig unter 45° zur Einfallsebene der
Schichten polarisiert. Justiert man das Gerät zunächst so, daß die relative Phase
des austretenden Lichtes 0 oder ein Vielfaches von n beträgt, also lineare Polarisation
besteht, so können geringste Veränderungen in einem der Lichtyvege, welche dann
eine schwache Elliptizität der Schwingung hervorrufen, äußerst empfindlich festgestellt
werden. Der Interferenzpolarisator wirkt zusammen mit dem Spiegelsystem hier also
ähnlich wie ein Kristall, dessen Doppelberechnung rund hundertmal größer ist als
die der natürlichen Kristalle. Bringt man das austretende Bündel durch einen Polarisator
auf gleiche Schwingungsebene, so
beobachtet man dementsprechend
die bekannten Interferenzfiguren.
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Die eben beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung läßt sich weiter
durch Vervielfachung ihrer Elemente zu einem Monochromator ausgestalten. Nach einem
vom Lyot angegebenen Prinzip kann man aus weißem Licht ein spektral mehr oder minder
eingeengtes Bündel dadurch ausfiltern, daß man nacheinander doppelbrechende Platten
mir einem Dickenverhältnis von i :2: 4 :8': . . . jeweils zwischen gekreuzte bzw.
parallel orientierte Polärisatoren einschaltet. Die an Stelle der doppelbrechenden
Platten hier tretenden Interferenzpolarisatoren sind etwa in einer Anordnung, wie
sie Fig. 6 schematisch zeigt, für den genannten Zweck verwendbar. Hierin bedeuten
Goa, hob und hoc drei würfelförmige Interferenzpolarisatoren, die jeweils zwischen,
den vorzugsweise aus polarisierenden Folien bestehenden Linearpolarisatoren Eia,
Gib, hic, Eid eingeschaltet sind, deren Orientierung mit der Einfallsebene der Interferenzpolarisatoren
einen Winkel von ± 45° bildet. Jeder der drei Interferenzpolarisato@ren wird vom
Licht nach Umkehr der Richtung an den Spiegeln 62a, 62b, 62c bzw. 63a, 63b, 63"
und go°-Drehung der Schwingungsebene durch die .1/4 Plättchen 64a, 64b, 64a bzw.
65a, 65b, 65c ein zweites Mal durchlaufen. Die Abstände A, B , C der
Spiegel 62a, 62b, 62,e von den durch die polarisierenden Schichten 66a, 66b,
66c erzeugten Spiegelbildern der Spiegelebenen 63a, 63b, 63a verhalten sich wie
i : 2 : 4. Die einzelnen Stufen eines solchen Monochrolnators können in leicht ersichtlicher
Weise auch anders angeordnet und durch weitere Stufen ergänzt werden. Eine Kombination
von vier Stufen ergibt z. B. Geradsicht, wie Fig. 7 schematisch zeigt. Die Justierung
der Prismen und der zugehörigen Spiegel erfordert natürlich die bei Interferometern
ähnlicher Bauart nötige Präzision. Durch Änderung der Abstände A, B, C
... unter Beibehaltung ihrer relativen Verhältnisse kann dann der Durchlaßbereich
des Monochromators variiert werden.
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Um die kostspielige Bearbeitung der Prismen von der erforderlichen
optischen Qualität zu vermeiden, kann man diese auch hier -durch planparallele Platten
ersetzen, welche entsprechend angepaßte polarisierende Schichten aufweisen. Ein
Ausführungsbeispiel hierfür ist in Fig. 8 dargestellt Eine weitere besonders vorteilhafte
Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergibt sich für die Projektion von Stereobildern.
Vorschläge zur Verwendung von Interferenzpolarisatoren zu diesem Zweck sind bereits
gemacht worden, jedoch werden bei den bisher bekanntgewordenen Anordnungen zwei
Projektionsobjektive benötigt, falls man nicht auf die Hälfte der Lichtausbeute
verzichten will. Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Anordnung werden die beiden
zu projizierenden Stereobilder in den aufgeteilten Strahlengang hinter den ersten
Interferenzpolarisator, z. B. an die Stelle der Farbfilter 18 in Fig: i, gesetzt.
Hier ist allerdings noch der Umstand von Nachteil, daß die Lichtwege von den Teilbildern
bis zum Objektiv verschieden sind, was zu mangelhafter Schärfe in der Projektion
führen muß. Man kann diesen Fehler jedoch durch Einschalten eines zusätzlichen Glasweges
in den kürzeren Lichtweg kompensieren. Weitere Anwendungen des erfindungsgemäßen
Prinzips für die Stereoprojektion sind beispielsweise Anordnungen nach Art der Darstellungen
von Fig.9 oder io, bei denen jedes Teilbündel nach Durchlaufen des zu projizierenden
Diapositives gi, 92 bzw. ioi, rot über einen Spiegel 103, 104 oder mittels
totalreflektierender Prismen 93, 94 so in den wiedervereinigenden Interferenzpolarisator
96 bzw.. roh reflektiert wird, daß die Lichtwege der beiden Teilbündel mindestens
annähernd gleich groß sind.. Auch hier können die polarisierenden Interferenzschichten
entweder zwischen Prismen 95, 96 oder nur auf Planplatten 105, io6 angeordnet sein.
Beide Vorrichtungen ermöglichen eine verlustlose Ausnutzung des gesamten den Kondensor
97 bzw. io7 durchlaufenden Lichtstroms durch das Objektiv 98. bzw. io8.