WO2008107391A1 - Einrichtung zur korrektur der wellenlängenabhängigkeit in beugungsbasierten optischen systemen - Google Patents

Einrichtung zur korrektur der wellenlängenabhängigkeit in beugungsbasierten optischen systemen Download PDF

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light modulator
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focusing system
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Jean-Christophe Olaya
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Seereal Technologies S.A.
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Definitions

  • the invention relates to a device for correcting the wavelength dependence in diffraction-based optical systems in which a filtering of certain diffraction orders is provided, comprising at least one diffractive optical light modulator provided with controllable structures and at least one light source for illuminating the light modulator, resulting in associated diffraction orders, which, depending on the wavelength, have a lateral chromatic offset D related to the surface normal of the light modulator with respect to the position of their different extents BO R , BO G , BO B in a filter plane defined by the focal length of a subsequent optical system.
  • the invention relates both to amplitude modulating and to phase modulating light modulators and does not depend on the technological basis of the modulators. It can be realized both with liquid crystal modulators and with modulators based on microelectromechanical systems (MEMS), acousto-optic or other modulators.
  • MEMS microelectromechanical systems
  • Light modulators (English, spatial light modulators), which are realized for example on the basis of liquid crystals, represent of visible light sou- or irradiable areal extended optical elements whose optical properties can be changed temporarily by applying an electric field.
  • the electric field can be set separately in each case in small structures, so-called pixels, which results in the possibility of a pixel-wise setting of the optical transparency properties of the light modulator that is sufficiently fine for many applications.
  • This possibility is used to change an incoming wavefront, for example, when passing through the light modulator by amplitude or phase modulation such that it is at a distance from a viewer a wavefront emanating from a real object.
  • a holographic reconstruction of a spatial object becomes possible without having to have the object available at the time of viewing. Due to the discrete pixel structure of the light modulators, the respective diffraction pattern continues periodically in successive orders of diffraction, with the intensity decreasing with increasing atomic number. Therefore, it is necessary, for example in the holographic reconstruction of objects, to filter out a certain order of diffraction-usually the first-from the periodic diffraction spectrum and to suppress the remaining diffraction orders.
  • a method for filtering diffraction orders is described in the publication DE 10 2005 023 743, wherein the information which is not required is cut off with a predetermined aperture in a particular plane-the filter plane.
  • the problem is solved in that the differently colored light sources LQ R , LQ G , LQ B, which illuminate the light modulator, are arranged at such a mutual distance from each other that the diffraction orders for the three colors after the diffraction at the Structures of the light modulator overlap at the same location. But this is not possible if the different colors come from the same light source, for example, in a white light source, or if the different colored light sources have a fixed distance from each other, such. B. when using a color display as a light source.
  • Light modulators are thus diffractive optical elements whose chromatic dispersion is caused by the wavelength dependence of the diffraction angle and can not be avoided.
  • diffractive optical elements DOE
  • refractive optical elements ROE
  • each chromatic dispersion occurs, wherein the angle of refraction changes with the wavelength of the incident light.
  • the refractive dispersion is caused by the wavelength dependence of the refractive index.
  • the chromatic refraction causes in place of sharp pixels colored circles of distraction, which are superimposed over the pixels and give them a special kind of blurring.
  • the refraction of a lens with glass of a particular chromatic dispersion may be limited by the refraction of another lens with glass of another chromatic dispersion.
  • Such a corrected lens which consists of a weakly refracting and strongly dissipating conical lens made of crown glass and a strongly refracting and weakly dissipating diverging lens of flint glass, is an achromat.
  • the Achromat combines two colors of the spectrum, namely the Frauenhofer lines C and F. For higher quality photographs in the photographic area, a correction of the refraction to the merging of three wavelengths is performed.
  • the chromatic dispersion of a refractive optical system can be with the Abbe number V with
  • n d is the refractive index of the glass material at the wavelength of neutral helium at 587.6 nm (yellow).
  • the refractive indices n F and n c are the refractive indices at the wavelengths of neutral hydrogen at 656.3 nm (red) and 486.1 nm (blue).
  • the dimensions and principal directions of the diffraction orders are proportional to the wavelength in the filter plane, which is generally formed as the focal plane of the optical system.
  • an inserted mechanical filtering through a pinhole wherein e.g. Although only the predetermined diffraction order of the blue wavelength is considered, although suitable for the blue light, but it cuts off a part of the red information from the predetermined diffraction order for the red wavelength.
  • the aperture thus has neither an expedient width nor a favorable position in the filter plane.
  • the filtering can cause a large loss of information for one color, in this case for the red color or inadequate filtering of a different color containing not all true information, but allowing parasitic light through, which is called crosstalk becomes.
  • the diffraction orders have a spatial extent and an orientation which is extremely wavelength-dependent and thus has a small overlap with each other and thus a clearly recognizable loss of information, e.g. in the holographic visualization of objects.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a device for correcting the wavelength dependence in diffraction-based optical systems, which is designed so that the same number of diffraction orders of diffracted light at the light modulator light of different wavelength both in terms of their direction and their extent in a given filter plane sufficiently overlay.
  • the device for correcting the wavelength dependence in diffraction-based optical systems contains at least one diffractive optical light modulator provided with controllable structures and at least one light source for illuminating the light modulator, resulting in associated diffraction orders which are wavelength-dependent a relative to the surface normal of the light modulator lateral chromatic offset D with respect to the position of their different dimensions BO R , BO G , BO B in a fixed by the focal length of a subsequent optically focusing system filter plane, according to the characterizing part of claim 1 the diffractive light modulator the subordinate refractive optical focusing system whose chromatic properties with respect to the same number of wavelength-dependent diffraction orders on the chromatic diffraction the same equal diffraction orders of the light modulator is tuned, wherein in a given filter plane after the optical focusing system a possible centered superposition of the same diffraction orders (BO R , BO
  • the size of the refractive dispersion of the optically focusing system can be equal to the size of the diffractive dispersion of the light modulator, wherein the refractive dispersion and the diffractive dispersion are formed opposite and largely compensate each other.
  • a filter aperture can be arranged, which passes only selected equal-number diffraction orders of different wavelengths red, green, blue.
  • the optically focusing system can consist of several components, preferably of at least two lenses.
  • the refractive indices of at least one lens of the optically focusing system are for the wavelengths red, green, blue as a function of the Abbe number V according to the equation
  • the lenses can represent a double lens, wherein one lens has a predetermined Abbe number V1 and the other lens has a Abbe number V2 matched to the Abbe number V1 of the one lens.
  • the double lens may represent a Linsenduplet with the same geometric parameters, the Linsenduplet may have, for example, two plano-convex lenses, the flat surfaces facing each other parallel to each other.
  • the refractive indices n d , n F , n c of the Abbe number V2 of the second lens of the double lens can be calculated from a predetermined value of the Abbe number V for the largely centered superposition of the diffraction patterns of the associated wavelengths red, green, blue in the focal plane for the yellow wavelength can be determined.
  • the remaining parameters of the optically focusing system such as e.g. the reference focal lengths and main levels, do not change.
  • the glass material or glass materials of the respective predetermined component - preferably the second lens - of the optically focusing system can be determined.
  • the light source a single white-emitting light source with the three wavelengths red, green and blue located therein can be provided.
  • a light source unit with different colored light sources LQ R , LQ G , LQ B can be provided with the wavelengths blue, green, red, which are optionally arranged at one point or at different locations in a plane preferably perpendicular to the surface normal.
  • the light modulator may have an optically active layer, preferably in the form of a plane birefringent layer containing liquid crystals whose refractive index ellipsoid is controllable by applying an electric field to the structures formed as pixels.
  • the light modulator may also have controllable electromechanical structures - MEMS - with diffractive optical properties or based on other technologies, e.g. acousto-optic, be realized.
  • the invention makes it possible to form an optically focusing system which largely compensates for the wavelength-dependent diffraction patterns of the light modulator in the filter plane and at the same time produces in combination with the light modulator an achromaticity which greatly reduces precisely the wavelength-dependent deviation of the diffraction images with respect to their position and extent in the filter plane ,
  • the essence of the invention consists in overlapping predetermined equal-number diffraction orders of different wavelengths of a light modulator sufficiently by tuning the glass-rate-dependent refractive dispersion in the optical modulating system following the light modulator to the diffractive dispersion of the light modulator.
  • the invention opens up the possibility that better and simpler filtering of wavelength-dependent equal-order diffraction orders is achieved and the scope of the possible information after the common superimposition and filtering of the diffraction orders with respect to the originally existing information is maintained.
  • the compensation of the wavelength dependence for transmissive diffractive light modulators can also be applied analogously to reflective diffractive light modulators.
  • Fig. 1 is a diagram of a device according to the invention for correcting the wavelength dependence in diffraction-based optical systems with an achromatic optically focusing system, wherein Fig. 1a the beam path for the two diffraction orders for the wavelength blue and for the wavelength red and
  • FIG. 2 shows a diagram of a device for correcting the wavelength dependence in diffraction-based optical systems with a first chromatic optically focusing system
  • 3 shows a diagram of a device for correcting the wavelength dependence in diffraction-based optical systems with a second chromatic optically focusing system
  • Fig. 4 is a diagram of a refractive optical focusing system with different chromatic properties, but otherwise the same parameters, wherein
  • Fig. 5 light spot (spot) diagrams of the optically focusing systems according to
  • FIG. 5a shows the spot diagrams when using a component with the
  • 1, 1 a shows a diagram of a device 1 for correcting the wavelength dependence in diffraction-based optical systems, in which a filtering of specific diffraction orders is provided, which has a controllable structures 2, 3 designed as a diffractive optical element provided light modulator 4 and at least one light source 5 for illuminating the light modulator 4, wherein with respect to an illuminating light beam 6 associated wavelength-dependent diffraction orders 7, 8 are formed, which is related to the surface normal 9 of the light modulator 4 lateral chromatic displacement D with respect to the position of their expansions BO R , BO B for the wavelengths red and blue in a determined by the focal length of the light modulator 4 downstream optical focusing system 11 filter plane 10 have.
  • the diffractive optical modulator 4 is assigned the refractive optical focusing system 11 whose refractive dispersion is tuned and directed in the opposite direction to the diffractive dispersion of the light modulator 4 in the region of the predetermined equal diffraction orders 7, 8, wherein a centered superimposition of the equal number of diffraction orders 7, 8 different wavelengths red, blue in the filter plane 10 are provided.
  • an intensity (I) diagram is shown representing the intensities I ⁇ R (X) and I ⁇ B (X), which are transmitted through the respective filters 14, 15 in the filter plane 10.
  • I intensity
  • a high proportion of parasitic light from higher diffraction orders if the aperture is chosen too large. However, if it is chosen too small, a part of the desired light of the equal-order diffraction orders of other wavelengths is cut off.
  • FIG. 2 shows a schematic of a wavelength dependence correction means 40 in diffraction-based optical systems of FIG. 1 having a first chromatic optically focusing system 111 in place of the achromatic optically focusing system 11.
  • FIG. 3 shows a schematic of a device 50 for correcting the wavelength dependence in diffraction-based optical systems according to FIG. 1 with a second chromatic optically focusing system 112 instead of the achromatic optically focusing system 11.
  • the possible results of the filtering when using the optically focusing systems 111, 12 are shown with different chromatic aberration.
  • FIGS. 2 and 3 each show a chromatic optically focusing system 111 and 112, which are dimensioned so that their focal lengths f ⁇ B for the wavelength blue and f ⁇ R for the wavelength red by the distance d and -d with respect apart on the filter plane 10, wherein the filter plane 10 is in the focal plane f ⁇ R for the red wavelength ⁇ R.
  • Fig. 1 shows the filter plane 10 in an achromatisch optically focusing system 11, which represents an identical plane for the focal lengths f ⁇ B for the wavelength blue and f ⁇ R for the wavelength red.
  • the chromaticity of the optically focusing system 11 1 in the device 40 is selected so that the focal plane f ⁇ B for a certain order of the blue wavelength ⁇ B at a distance d behind the focal plane f ⁇ R for the red
  • Wavelength ⁇ R in which the filter 14 for the red wavelength ⁇ R is located. This then passes the desired order of the blue wavelength ⁇ B and the red wavelength ⁇ R , but still blocks a part of a higher order of the blue wavelength ⁇ B.
  • the chromaticity of the optically focusing system 112 in the device 50 is chosen such that the focal plane f ⁇ B is at a distance -d in front of the focal plane f ⁇ R for the particular wavelength of the wavelength ⁇ B, for the red wavelength ⁇ R in turn, the filter for the red wavelength ⁇ R is located.
  • This then allows not only the desired order of the blue wavelength ⁇ B but also a higher order of the blue wavelength ⁇ B. In this configuration, therefore, creates a significant amount of stray light, while the proportion of light in the configuration acc. Fig. 2 is reduced.
  • the refractive optical focusing system 1 1 is designed to reduce the stray light portion so that it causes a tuned to the light modulator 4 chromatic correction.
  • the chromatic optically focusing systems 11 1 and 1 12 of the wavelength dependency correction means 40, 50 in diffraction-based optical systems 4 can be schematically represented by a double-lens system 20, 21 or 22, 23 as shown in FIG.
  • FIG. 4, 4a and 4b two optically focussing system 11 equivalent optical focusing systems 30, 31 are shown schematically in the form of double lenses 20, 21 and 22, 23, wherein the associated object focal length fo with the object focal plane OB and the object main plane OH and the associated image focal length fs having the image focal length BB and the image main plane BH for a given wavelength are indicated.
  • the incident white light beam 24 is determined by the height h in the light modulator 4, as shown in Fig. 2, and the angle of incidence ⁇ for the predetermined optical focusing system 1 1, 30, 31.
  • the predetermined optically focusing system 11, 30, 31 is defined by
  • a reference wavelength A 0 which defines the size and position of the filter 14 as shown in FIGS. 1 to 3,
  • the quality of the correction of the wavelength dependence of the device 1 can be described by the ratio of the transmitted through the filter for the reference wavelength A 0 light intensity to the light intensity in the desired diffraction order, wherein gem.
  • Ischangelange2 J Ipupille for Wellenkngel (x) Ax (I I)
  • the intensity I W 2 is a parametric function of the Abbe number V2 of the second component of the optically focusing system.
  • the following constants are used, which define the device 1 for correcting the wavelength dependence in diffraction-based optical systems:
  • a pitch is equal to the distance of the adjacent pixels from center to center
  • a 0 must be the highest wavelength value assume that occurs in the optically focusing system 11, 30, 31.
  • ⁇ is the wavelength for which the intensity I W 2 is calculated.
  • An explicit representation of the intensity ratio K as a function of the Abbe number V is complicated. Based on FIGS. 1, 2, 3, but for a given optically focusing system 11, 30, 31 an Abbe number V can be specified which minimizes the intensity ratio K.
  • the simplest way to determine the given optically focusing system 11, 30, 31 is to perform a numerical calculation of the intensity ratio K for the lowest wavelength (blue) of the optically focusing system 11 and a number of larger wavelengths up to the largest (red). In this case, all wavelengths between the extreme wavelengths blue to red have a K value which lies between the extreme values for a value range of V, and the Abbe number which minimizes the intensity ratio K is then used for dimensioning the optically focusing system 11, 30, 31 selected.
  • the Abbe number V is to be recalculated in each case.
  • the object space positions are measured with respect to a first surface / plane F1.
  • the image space positions are measured with respect to a fifth surface F5.
  • End area F5 wavelength yellow 587.562 nm as reference wavelength
  • the object space positions are measured with respect to a first surface / plane F1.
  • the image space positions are measured with respect to a fifth surface F5.
  • the structure of the optically focusing systems 30, 31 is a possible design for a focal length of 7.12 mm (at 588 nm) based on the lens doublets 20, 21 and 22, 23.
  • the only difference between the two variants in FIGS. 4a, 5a and 4b, 5b is the Abbe number V2 of the second lens; the Abbe number V2 is 5 in one case and 36.6 in the other case.
  • the spot diagrams Fig. 5a and Fig. 5b at off-axial imaging and collimated illumination for the three wavelengths red, green, blue are calculated for a field angle ⁇ of 2 °, the spot diagrams 12, 13 are shown enlarged in the same order of magnitude , so that in reality the spot diagram 13 in FIG. 5b is slightly smaller than the spot diagram 12 in FIG. 5a.
  • the two optically focusing systems 30 and 31 having the same focal lengths f o and f b and more generally: the same geometrical parameters for a given reference wavelength and two due to the different Abbe number V of the second component of the lens duplex various embodiments 12, 13 of the spot diagrams for predetermined wavelengths, wherein the appropriate choice of the glass material for the reduction of the total dispersion is crucial.
  • the ratio of the distances between the green and blue center is the diameter of the blue spot diagram in the spot diagram 12 31% for the optically focusing system 30 with the Abbe number 5 of the second component - lens 21 -, and the green spot diagram 402 and the blue spot diagram 403 are formed separately from one another,
  • Green, blue 411, 412, 413 are largely centered superimposed.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung (1) zur Korrektur der Wellenlängenabhängigkeit in beugungsbasierten optischen Systemen, in denen eine Filterung von bestimmten Beugungsordnungen vorgesehen ist, enthaltend mindestens einen diffraktiven optischen, mit steuerbaren Strukturen (2, 3) versehenen Lichtmodulator (4) und mindestens eine Lichtquelle (5) zur Beleuchtung des Lichtmodulators (4), wobei zugehörige Beugungsordnungen (7, 8) entstehen, die wellenlängenabhängig einen auf die Flächennormale (9) des Lichtmodulators (4) bezogenen lateralen chromatischen Versatz (D) bezüglich der Lage ihrer unterschiedlichen Ausdehnungen (BOR, BOG, BOB) in einer durch die Brennweite eines nachfolgenden optisch fokussierenden Systems festgelegten Filterebene (10) aufweisen. Die Aufgabe sieht vor, dass die gleichzahligen Beugungsordnungen verschiedener Wellenlänge sich sowohl bezüglich ihrer Richtung als auch ihrer Ausdehnung in einer vorgegebenen Filterebene in genügendem Maße überlagern. Die Lösung besteht darin, dass dem diffraktiven Lichtmodulator (4) ein refraktives optisch fokussierendes System (11, 30, 31) nachgeordnet ist, dessen chromatische Eigenschaften bezüglich der gleichzahligen wellenlängenabhängigen Beugungsordnungen auf die chromatische Diffraktion der gleichen gleichzahligen Beugungsordnungen des Lichtmodulators (4) abgestimmt sind.

Description

Einrichtung zur Korrektur der Wellenlängenabhängigkeit in beugungsbasierten optischen Systemen
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Korrektur der Wellenlängenabhä ngigkeit in beugungsbasierten optischen Systemen, in denen eine Filterung von bestimmten Beugungsordnungen vorgesehen ist, enthaltend mindestens einen diffraktiven optischen, mit steuerbaren Strukturen versehenen Lichtmodulator und mindestens eine Lichtquelle zur Beleuchtung des Lichtmodulators, wobei zugehörige Beugungsordnungen entstehen, die wellenlängenabhängig einen auf die Flächennor- male des Lichtmodulators bezogenen lateralen chromatischen Versatz D bezüglich der Lage ihrer unterschiedlichen Ausdehnungen BOR, BOG, BOB in einer durch die Brennweite eines nachfolgenden optischen Systems festgelegten Filterebene aufweisen. Die Erfindung bezieht sich sowohl auf amplitudenmodulierende als auch auf phasenmodulierende Lichtmodulatoren und hängt nicht von der technologischen Basis der Modulatoren ab. Sie ist sowohl mit Flüssigkristallmodulatoren als auch mit Modulatoren auf der Basis von mikroelektromechanischen Systemen (MEMS), akustooptischen oder anderen Modulatoren realisierbar.
Lichtmodulatoren (engl, spatial light modulators), die beispielsweise auf der Basis von Flüssigkristallen realisiert sind, stellen von sichtbarem Licht durch- oder bestrahlbare flächig erstreckte optische Elemente dar, deren optische Eigenschaften durch Anlegen eines elektrischen Feldes temporär verändert werden können. Das elektrische Feld kann jeweils in kleinen Strukturen, sogenannten Pixeln, gesondert eingestellt werden, wodurch sich die Möglichkeit einer zwar pixelweisen, jedoch für viele Anwendungen ausreichend feinen Einstellung der optischen Transparenzeigenschaften des Lichtmodulators ergibt. Diese Möglichkeit wird genutzt, um eine eingehende Wellenfront beispielsweise beim Durchgang durch den Lichtmodulator durch Amplituden- oder Phasenmodulation derart zu verändern, dass sie im Abstand eines Betrachters einer Wellenfront gleicht, die von einem realen Objekt ausgeht. Dadurch wird bei entsprechender Ansteuerung des Lichtmodulators z.B. eine holografische Rekonstruktion eines räumlichen Objektes möglich, ohne das Objekt zum Zeitpunkt der Betrachtung zur Verfügung haben zu müssen. Bedingt durch die diskrete Pixelstruktur der Lichtmodulatoren setzt sich das jeweilige Beugungsbild periodisch in aufeinander folgenden Beugungsordnungen fort, wobei die Intensität mit steigender Ordnungszahl abnimmt. Deshalb ist es z.B. bei der holografischen Rekonstruktion von Objekten erforderlich, eine bestimmte Beugungsordnung - in der Regel die erste - aus dem periodischen Beugungsspektrum herauszufiltern und die übrigen Beugungsordnungen zu unterdrücken. Ein Problem ergibt sich dadurch, dass die Beugungsordnungen für verschiedene Wellenlängen eine unterschiedliche Ausrichtung und winkelmäßige Ausdehnung haben, was in einer definierten Filterebene zu einem lateralen Versatz und einer unterschiedlichen Breite der Beugungsbilder führt. Dadurch kann es bei der mechanischen Filterung z.B. durch eine Blende mit bestimmtem Durchmesser in einer bestimmten Position zu Informationsverlusten und/oder parasitärem Übersprechen insbesondere bei der Rekonstruktion farbiger Objekte kommen.
Ein Verfahren zur Filterung von Beugungsordnungen ist in der Druckschrift DE 10 2005 023 743 beschrieben, wobei mit einer vorgegebenen Blende in einer besonderen Ebene - der Filterebene - die nicht benötigten Informationen abgeschnitten werden.
In der Druckschrift US2006033972 A1 wird das Problem dadurch gelöst, dass die verschiedenfarbigen Lichtquellen LQR, LQG, LQB, die den Lichtmodulator beleuchten, in einem solchen gegenseitigen Abstand voneinander angeordnet werden, dass die Beugungsordnungen für die drei Farben nach der Beugung an den Strukturen des Lichtmodulators sich am gleichen Ort überlappen. Das ist aber nicht möglich, wenn die verschiedenen Farben aus der gleichen Lichtquelle hervorgehen, z.B. bei einer weißen Lichtquelle, oder wenn die verschiedenfarbigen Lichtquellen einen fixierten Abstand zueinander aufweisen, wie z. B. bei der Verwendung eines Farbdisplays als Lichtquelle.
Lichtmodulatoren sind also diffraktive optische Elemente, deren chromatische Dispersion durch die Wellenlängenabhängigkeit des Beugungswinkels verursacht wird und nicht zu vermeiden ist. Neben den diffraktiven optischen Elementen (DOE) gibt es auch refraktive optische Elemente (ROE), wobei auch bei refraktiven optischen Elementen jeweils eine chromatische Dispersion auftritt, wobei sich der Brechungswinkel mit der Wellenlänge des einfallenden Lichtes ändert. Die refraktive Dispersion wird verursacht durch die Wellenlängenabhängigkeit des Brechungsindex.
Die refraktive Dispersion einer Linse ist beispielsweise in der Druckschrift von Mutter, E.: Kompendium der Photographie, I. Band, Verlag für Radio-Foto-Kinotechnik GmbH, Berlin-Borsigwalde, 1958, S. 270-271 beschrieben, wobei jede Linse wie ein doppeltes Prisma wirkt und die Strahlen kürzerer Wellenlänge, die blauen Strahlen, sich wegen ihrer stärkeren Brechung näher der Linse als die langwelligen Strahlen, die roten Strahlen, schneiden. Es wird so eine Reihe hintereinander liegender Brennpunkte der verschiedenen Spektralstrahlen erhalten. Gegenüber der Asymmetrie eines Prismas ist eine Linse ein symmetrisches optisches Element. Die chromatische Refraktion verursacht an Stelle von scharfen Bildpunkten farbige Zerstreuungskreise, die sich über die Bildpunkte lagern und ihnen eine besondere Art von Unscharfe geben. Die Refraktion einer Linse mit Glas einer bestimmten chromatischen Dispersion kann durch die Refraktion einer anderen Linse mit Glas einer anderen chromatischen Dispersion eingeschränkt werden. Eine derartig korrigierte Linse, die aus einer schwach brechenden und stark zerstreuenden Sammellinse aus Kronglas und einer stark brechenden und schwach zerstreuenden Zerstreuungslinse aus Flintglas besteht, ist ein Achromat. Der Achromat vereinigt zwei Farben des Spektrums, und zwar die Frauenhoferschen Linien C und F. Für qualitativ höhere Aufnahmen im fotografischen Bereich wird eine Korrektur der Refraktion auf das Zusammenlegen von drei Wellenlängen durchgeführt.
Die chromatische Dispersion eines refraktiven optischen Systems lässt sich mit der Abbe-Zahl V mit
V = (nd - 1 )/(nF - nc) (I) angeben. Dabei ist nd der Brechungsindex des Glasmaterials bei der Wellenlänge des neutralen Heliums bei 587,6 nm (Gelb). Die Brechungsindizes nF und nc sind die Brechungsindizes bei den Wellenlängen des neutralen Wasserstoffs bei 656,3 nm (Rot) und 486,1 nm (Blau). Je größer die Abbe-Zahl V ist, desto größer ist die Dispersion des Glasmaterials.
Die Ausdehnungen und die Hauptrichtungen der Beugungsordnungen sind propor- tional zur Wellenlänge in der Filterebene, die im Allgemeinen als Brennebene des optischen Systems ausgebildet ist. Dabei ist eine eingesetzte mechanische Filterung durch eine Lochblende, bei der z.B. nur die vorgegebene Beugungsordnung der blauen Wellenlänge berücksichtigt wird, zwar für das blaue Licht geeignet, aber sie schneidet einen Teil der roten Informationen aus der vorgege- benen Beugungsordnung für die rote Wellenlänge ab. Die Blende hat somit weder eine zweckmäßige Breite noch eine günstige Position in der Filterebene.
Auf diese Weise kann die Filterung einen großen Verlust an Informationen für eine Farbe hervorrufen, im genannten Fall für die rote Farbe oder eine nicht ausrei- chende, nicht alle zutreffenden Informationen enthaltende Filterung einer anderen Farbe und dafür aber parasitäres Licht durchlassen, was als Übersprechen bezeichnet wird.
Ein Problem besteht darin, dass die Beugungsordnungen eine räumliche Ausde h- nung und eine Ausrichtung haben, die extrem wellenlängenabhängig ist und somit untereinander eine geringe Überlappung aufweisen und somit einen deutlich erkennbaren Informationsverlust z.B. bei der holografischen Visualisierung von Objekten aufweisen.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Korrektur der Wellenlängenabhängigkeit in beugungsbasierten optischen Systemen anzugeben, die derart geeignet ausgebildet ist, dass die gleichzahligen Beugungsordnungen des am Lichtmodulator gebeugten Lichts verschiedener Wellenlänge sich sowohl bezüglich ihrer Richtung als auch ihrer Ausdehnung in einer vorgegebenen Filterebene in genügendem Maße überlagern.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Einrichtung zur Korrektur der Wellenlängenabhängigkeit in beugungsbasierten optischen Systemen, in denen eine Filterung von bestimmten Beugungsordnungen vorgesehen ist, enthält mindestens einen diffraktiven optischen, mit steuerbaren Strukturen versehenen Lichtmodulator und mindestens eine Lichtquelle zur Be- leuchtung des Lichtmodulators, wobei zugehörige Beugungsordnungen entstehen, die wellenlängenabhängig einen auf die Flächennormale des Lichtmodulators bezogenen lateralen chromatischen Versatz D bezüglich der Lage ihrer unterschiedlichen Ausdehnungen BOR, BOG, BOB in einer durch die Brennweite eines nachfolgenden optisch fokussierenden Systems festgelegten Filterebene aufweisen, wobei gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 1 dem diffraktiven Lichtmodulator das refraktive optisch fokussierende System nachgeordnet ist, dessen chromatische Eigenschaften bezüglich der gleichzahligen wellenlängenabhängigen Beugungsordnungen auf die chromatische Diffraktion der gleichen gleichzahligen Beugungsordnungen des Lichtmodulators abgestimmt ist, wobei in einer vorgegebenen Filterebene nach dem optischen fokussierenden System eine möglichst zentrierte Überlagerung der gleichzahligen Beugungsordnungen (BOR, BOG, BOB) verschiedener Wellenlängen (Rot, Grün, Blau) vorgesehen ist.
Die Größe der refraktiven Dispersion des optisch fokussierenden Systems kann gleich der Größe der diffraktiven Dispersion des Lichtmodulators sein, wobei die refraktive Dispersion und die diffraktive Dispersion entgegengesetzt ausgebildet sind und sich weitgehend kompensieren.
In der Filterebene kann eine Filterblende angeordnet sein, die nur ausgewählte gleichzahlige Beugungsordnungen verschiedener Wellenlängen Rot, Grün, Blau durchlässt.
Das optisch fokussierende System kann aus mehreren Komponenten, vorzugs- weise aus mindestens zwei Linsen bestehen. Die Brechungsindizes mindestens einer Linse des optisch fokussierenden Systems sind für die Wellenlängen Rot, Grün, Blau in Abhängigkeit von der Abbe-Zahl V gemäß Gleichung
v = (nd - 1 )/(nF - nc) (I) ausgebildet, und die Beugungsbilder der Wellenlängen Rot, Grün, Blau der ausgewählten gleichzahligen Beugungsordnungen sind in Bezug auf den Brechungsindex nd der gelben Wellenlänge im Abstand d von der Filterebene minimiert.
Die Linsen können eine Doppellinse darstellen, wobei die eine Linse eine vorgegebene Abbe-Zahl V1 und die andere Linse eine auf die Abbe-Zahl V1 der einen Linse abgestimmte Abbe-Zahl V2 aufweisen.
Die Doppellinse kann ein Linsenduplet mit gleichen geometrischen Parametern darstellen, wobei das Linsenduplet beispielsweise zwei plankonvexe Linsen aufweisen kann, deren plane Flächen sich parallel zueinander gerichtet gegenüberliegen.
Die Brechungsindizes nd, nF, nc der Abbe-Zahl V2 der zweiten Linse der Doppellinse können aus einem vorgegebenen Wert der Abbe-Zahl V für die weitgehend zentrierte Überlagerung der Beugungsbilder der zugehörigen Wellenlängen Rot, Grün, Blau in der Brennebene für die gelbe Wellenlänge bestimmt werden.
Wesentlich ist dabei, dass sich die übrigen Parameter des optisch fokussierenden Systems, wie z.B. die Referenzbrennweiten und Hauptebenen, nicht ändern.
Mit den vorgegebenen und bestimmten Abbe-Zahlen V und den zugehörigen Brechungsindizes nd, nF, nc kann das Glasmaterial oder die Glasmaterialien der jeweiligen vorgegebenen Komponente - vorzugsweise der zweiten Linse - des optisch fokussierenden Systems ermittelbar sein. Als Lichtquelle kann eine einzige weißstrahlende Lichtquelle mit den drei darin befindlichen Wellenlängen Rot, Grün und Blau vorgesehen sein.
Als Lichtquelle kann auch eine Lichtquelleneinheit mit verschiedenfarbigen Lichtquellen LQR, LQG, LQB mit den Wellenlängen Blau, Grün, Rot vorgesehen sein, die wahlweise an einer Stelle oder an verschiedenen Stellen in einer vorzugsweise senkrecht zur Flächennormalen ausgebildeten Ebene angeordnet sind.
Der Lichtmodulator kann eine optisch aktive Schicht vorzugsweise in Form einer ebenen doppelbrechenden Schicht haben, die Flüssigkristalle enthält, deren Brechungsindex-Ellipsoid durch Anlegen eines elektrischen Feldes an die als Pixel ausgebildeten Strukturen steuerbar ist.
Der Lichtmodulator kann auch steuerbare elektromechanische Strukturen - MEMS - mit diffraktiven optischen Eigenschaften aufweisen oder auf der Basis anderer Technologien, z.B. akustooptisch, realisiert sein.
Die Erfindung ermöglicht es, ein optisch fokussierendes System auszubilden, das die wellenlängenabhängigen Beugungsbilder des Lichtmodulators in der Filterebene weitgehend kompensiert und gleichzeitig in Kombination mit dem Lichtmodulator eine Achromatizität erzeugt, die genau die wellenlängenabhängige Abweichung der Beugungsbilder bezüglich ihrer Lage und Ausdehnung in der Filterebene weitgehend verringert.
Auf diese Weise ist es möglich, die gleichzahligen Beugungsordnungen zumindest der drei Wellenlängen Rot, Grün und Blau derart zu überlagern und eine gemeinsame mechanische Filterung für alle gewählten Wellenlängen zu erreichen, ohne signifikante Verluste an Informationen oder bezüglich der Fi lterungseffizienz zu haben. Damit ist es relativ einfach, ein chromatisches optisch fokussierendes System zu berechnen und herzustellen, in dem die Chromatisierung weitgehend in Abhängigkeit von dem Glasmaterial des optisch fokussierenden Systems bestimmt ist. Der Kern der Erfindung besteht darin, vorgegebene gleichzahlige Beugungsordnungen verschiedener Wellenlängen eines Lichtmodulators in genügendem Maße überlappen zu lassen, indem die glasmatehalabhängige refraktive Dispersion in dem dem Lichtmodulator nachfolgenden optisch fokussierenden System auf die diffraktive Dispersion des Lichtmodulators abgestimmt wird.
Die Erfindung eröffnet die Möglichkeit, dass damit eine bessere und verei nfachte Filterung von wellenlängenabhängigen gleichzahligen Beugungsordnungen erreicht wird und der Umfang der möglichen Informationen nach der gemeinsamen Überlagerung und Filterung der Beugungsordnungen gegenüber den ursprünglich vorhandenen Informationen beibehalten wird.
Die Kompensation der Wellenlängenabhängigkeit für transmissive diffraktive Lichtmodulatoren lässt sich in analoger Weise auch auf reflektive diffraktive Lichtmodulatoren anwenden.
Die Erfindung wird anhand mehrerer Ausführungsbeispiele mittels mehrerer Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Schema einer erfindungsgemäßen Einrichtung zur Korrektur der Wellenlängenabhängigkeit in beugungsbasierten optischen Systemen mit einem achromatischen optisch fokussierenden System, wobei Fig. 1 a den Strahlengang für die beiden Beugungsordnungen für die Wellenlänge Blau und für die Wellenlänge Rot und
Fig. 1 b die von den beiden Filtern 14, 15 durchgelassenen Intensitäten I = l(x) in x-Richtung darstellen,
Fig. 2 ein Schema einer Einrichtung zur Korrektur der Wellenlängenabhängigkeit in beugungsbasierten optischen Systemen mit einem ersten chromatischen optisch fokussierenden System, Fig. 3 ein Schema einer Einrichtung zur Korrektur der Wellenlängenabhängigkeit in beugungsbasierten optischen Systemen mit einem zweiten chromatischen optisch fokussierenden System,
Fig. 4 ein Schema eines refraktiven optisch fokussierenden Systems mit verschiedenen chromatischen Eigenschaften, sonst aber gleichen Parametern, wobei
Fig. 4a eine optische Komponente mit der Abbe-Zahl V = 5 enthält und Fig. 4b eine optische Komponente mit der Abbe-Zahl V= 36,6 enthält,
Fig. 5 Lichtfleck-(Spot)-Diagramme der optisch fokussierenden Systeme nach
Fig. 4 mit verschiedenen chromatischen Eigenschaften bei außeraxialer
Abbildung mit kollimierter Beleuchtung für verschiedene Wellenlängen, wobei Fig. 5a die Spot-Diagramme bei Verwendung einer Komponente mit der
Abbe-Zahl V = 5 nach Fig. 4a und Fig. 5b die Spot-Diagramme bei Verwendung einer Komponente mit der
Abbe-Zahl V= 36,6 nach Fig. 4b darstellen.
In Fig. 1 , 1 a ist ein Schema einer Einrichtung 1 zur Korrektur der Wellenlängen - abhängigkeit in beugungsbasierten optischen Systemen, in denen eine Filterung von bestimmten Beugungsordnungen vorgesehen ist, dargestellt, die einen als diffraktives optisches Element ausgebildeten, mit steuerbaren Strukturen 2, 3 versehenen Lichtmodulator 4 und mindestens eine Lichtquelle 5 zur Beleuchtung des Lichtmodulators 4 enthält, wobei bezüglich eines beleuchtenden Lichtstrahlenbündels 6 zugehörige wellenlängenabhängige Beugungsordnungen 7, 8 entstehen, die einen auf die Flächennormale 9 des Lichtmodulators 4 bezogenen lateralen chromatischen Versatz D bezüglich der Lage ihrer Ausdehnungen BOR, BOB für die Wellenlängen Rot und Blau in einer durch die Brennweite eines dem Lichtmodulator 4 nachgeordneten optisch fokussierenden Systems 11 festgelegten Filterebene 10 aufweisen. Erfindungsgemäß ist dem diffraktiven Lichtmodulator 4 das refraktive optisch fokussierende System 11 zugeordnet, dessen refraktive Dispersion auf die diffraktive Dispersion des Lichtmodulators 4 im Bereich der vorgegebenen gleichzahligen Beugungsordnungen 7, 8 abgestimmt und entgegengesetzt gerichtet ist, wobei eine zentrierte Überlagerung der gleichzahligen Beugungsordnungen 7, 8 der verschiedenen Wellenlängen Rot, Blau in der Filterebene 10 vorgesehen sind.
Gemäß Fig. 1 a ist die Filterebene 10 die gemeinsame Brennebene der Strahlen- bündel Rot und Blau der gleichen, vorzugsweise der ersten Beugungsordnung mit den Brennweiten fλR= fλB bei Einsatz des achromatischen optisch fokussierenden Systems 11.
In Fig. 1 b ist ein Intensitäts(l)-Diagramm gezeigt, das die Intensitäten IΛR(X) und IΛB(X) darstellt, die durch die jeweiligen Filter 14, 15 in der Filterebene 10 durchgelassen werden. Neben der erwünschten Beugungsordnung für eine Wellenlänge entsteht ein hoher Anteil an parasitärem Licht aus höheren Beugungsordnungen, wenn die Blende zu groß gewählt wird. Wird sie aber zu klein gewählt, wird ein Teil des erwünschten Lichtes der gleichzahligen Beugungsordnungen anderer Wellen- längen abgeschnitten.
In Fig. 2 ist ein Schema einer Einrichtung 40 zur Korrektur der Wellenlängena bhängigkeit in beugungsbasierten optischen Systemen nach Fig. 1 mit einem ersten chromatischen optisch fokussierenden System 111 anstelle des achromatischen optisch fokussierenden Systems 11 gezeigt.
In Fig. 3 ist ein Schema einer Einrichtung 50 zur Korrektur der Wellenlängena bhängigkeit in beugungsbasierten optischen Systemen nach Fig. 1 mit einem zweiten chromatischen optisch fokussierenden System 112 anstelle des achromatischen optisch fokussierenden Systems 1 1 gezeigt. In den beiden Fig. 2, 3 werden die möglichen Ergebnisse der Filterung bei Einsatz der optisch fokussierenden Systeme 111 , 1 12 mit unterschiedlicher chromatischer Aberration dargestellt.
Die beiden Fig. 2 und Fig. 3 zeigen jeweils ein chromatisches optisch fokussierendes System 111 und 112, die so dimensioniert sind, dass deren Brennweiten fλB für die Wellenlänge Blau und fλR für die Wellenlänge Rot um den Abstand d bzw. -d in Bezug auf die Filterebene 10 auseinander liegen, wobei sich die Filterebene 10 in der Brennebene fλR für die rote Wellenlänge λR befindet. Dagegen zeigt Fig. 1 die Filterebene 10 bei einem achromatisch optisch fokussierenden System 11 , die für die Brennweiten fλB für die Wellenlänge Blau und fλR für die Wellenlänge Rot eine identische Ebene darstellt.
In Fig. 2 ist die Chromatizität des optisch fokussierenden Systems 11 1 in der Einrichtung 40 so gewählt, dass die Brennebene fλB für eine bestimmte Ordnung der blauen Wellenlänge λB im Abstand d hinter der Brennebene fλR für die rote
Wellenlänge λR liegt, in der sich auch das Filter 14 für die rote Wellenlänge λR befindet. Dieses lässt dann die erwünschte Ordnung der blauen Wellenlänge λB und roten Wellenlänge λR durch, blockiert aber noch einen Teil einer höheren Ordnung der blauen Wellenlänge λB.
In Fig. 3 ist die Chromatizität des optisch fokussierenden Systems 112 in der Einrichtung 50 so gewählt, dass die Brennebene fλB für eine bestimmte Ordnung der blauen Wellenlänge λB im Abstand -d vor der Brennebene fλR für die rote Wellenlänge λR liegt, in der sich wiederum das Filter für die rote Wellenlänge λR befindet. Dieses lässt dann neben der erwünschten Ordnung der blauen Wellenlänge λB auch eine höhere Ordnung der blauen Wellenlänge λB voll durch. In dieser Konfiguration entsteht also ein erheblicher Falschlichtanteil, während der Lichtanteil in der Konfiguration gem. Fig. 2 reduziert ist.
Ob ein Lichtstrahl durchgelassen oder blockiert wird, hängt in einer gegebenen Konfiguration von der Höhe h des Ausgangspunktes auf dem Lichtmodulator und vom Beugungswinkel αR, αB ab (Fig. 2). Das refraktive optisch fokussierende System 1 1 ist zur Reduzierung des Falschlichtanteils so ausgebildet, dass es eine auf den Lichtmodulator 4 abgestimmte chromatische Korrektur bewirkt.
Die chromatischen optisch fokussierenden Systeme 11 1 und 1 12 der Einrichtung 40, 50 zur Korrektur der Wellenlängenabhängigkeit in beugungsbasierten optischen Systemen 4 können schematisch durch ein Doppellinsensystem 20, 21 oder 22, 23, wie in Fig. 4 gezeigt ist, dargestellt werden.
Mit der entgegengesetzt ausgerichteten Chromatizität der optisch fokussierenden Systeme 1 11 , 112 gegenüber der vorhandenen Chromatizität des Lichtmodulators 4 wird eine weitgehende Kompensation, d.h. eine weitgehende Achromatisierung bezüglich der Wellenlängenabhängigkeit der Einrichtung 1 erreicht.
In Fig. 4, 4a und 4b sind jeweils zwei dem optisch fokussierenden System 11 äquivalente optisch fokussierende Systeme 30, 31 schematisch in Form von Doppellinsen 20, 21 und 22, 23 dargestellt, wobei die zugehörige Objektbrennweite fo mit der Objektbrennebene OB und der Objekthauptebene OH sowie die zugehörige Bildbrennweite fß mit der Bildbrennweite BB und der Bildhauptebene BH für eine bestimmte Wellenlänge angegeben sind.
Dazu wird Folgendes erläutert:
1. Der einfallende weiße Lichtstrahl 24 ist durch die Höhe h im Lichtmodulator 4, wie in Fig. 2 gezeigt ist, und den Einfallswinkel α für das vorgegebene optische fokussierende System 1 1 , 30, 31 bestimmt.
2. Das vorgegebene optisch fokussierende System 11 , 30, 31 wird definiert durch
- eine Referenzwellenlänge A0, die die Größe und die Position des Filters 14, wie in den Fig. 1 bis Fig. 3 gezeigt ist, definiert,
- die Referenzbrennweite /λ0 des optisch fokussierenden Systems 11 , 30, 31 für die Referenzwellenlänge A0,
- die Abbe-Zahl V1 und V2 von jeder Linse, bezogen auf die chromatische Abberation des optisch fokussierenden Systems 11 , 30, 31 , berechnet für die Gelb, Blau, Rot-Normung mit V = (nd - 1 )/(nF - nc) (I)
3. Die Güte der Korrektur der Wellenlängenabhängigkeit der Einrichtung 1 lässt sich durch das Verhältnis der durch das Filter für die Referenzwellenlänge A0 hindurchgelassenen Lichtintensität zur Lichtintensität in der erwünschten Beugungsordnung beschreiben, wobei gem. Fig. 1a und 1 b C
Iwellenlange2 = J Ipupille für Wellenkngel (x )Ax ( I I)
0
die Intensität nach dem Filter für die Referenzwellenlänge A0 und
A
Iθ, Wellenlange2 = J Ipupille für Wellenknge2 (x fix (I I I )
0
die Intensität für die erwünschte Beugungsordnung ist, so dass sich für das Intensitätsverhältnis K der Ausdruck
C
Jlpupille für Wellenlangel (x/Jx
0 Iwellenlange2
K = - = ^IVJ
A Iθ, Wellenlange2
Jlpupille fürWellenknge2 (x)l
0 ergibt.
Basierend auf der oben genannten Diskussion, ist die Intensität IW2 eine parametrische Funktion der Abbe-Zahl V2 der zweiten Komponente des optisch fokussierenden Systems. Bei der Berechnung dieser Funktion werden folgende Konstanten verwendet, die die Einrichtung 1 zur Korrektur der Wellenlängenabhängigkeit in beugungsbasierten optischen Systemen definieren:
- h als Höhe des Lichtstrahls im Lichtmodulator 4, - p als Pitch des Lichtmodulators 4, wobei ein Pitch gleich dem Abstand der benachbarten Pixel von Mitte zu Mitte darstellt,
- /λ0 als Referenzbrennweite für die Referenzwellenlänge A0, - A0 als Systemreferenzwellenlänge des optisch fokussierenden Systems 11 , 30, 31 , die die Größe und die Position des Filters 14 in der Bildbrennebene BB mit der Brennweite
/λ0 definiert.
Da es das Ziel ist, das optisch fokussierende System 11 , 30, 31 bezüglich der Unterdrückung des Falschlichts zu bestimmen, und da die Größe des im Allgemeinen mechanischen Filters 14 proportional zur Wellenlänge ist, für die es berechnet wird, muss A0 den höchsten Wellenlängenwert annehmen, der in dem optisch fokussierenden System 11 , 30, 31 vorkommt.
Dabei ist λ die Wellenlänge, für die die Intensität IW2 berechnet wird.
4. Eine explizite Darstellung des Intensitätsverhältnisses K als Funktion der Abbe- Zahl V ist kompliziert. Basierend auf den Fig. 1 , 2, 3, kann aber für ein vorgegebenes optisch fokussierendes System 11 , 30, 31 eine Abbe-Zahl V angegeben werden, die das Intensitätsverhältnis K minimiert. Der einfachste Weg zur Bestimmung des vorgegebenen optisch fokussierenden Systems 11 , 30, 31 besteht in der Durchführung einer numerischen Berechnung des Intensitätsverhältnisses K für die niedrigste Wellenlänge (Blau) des optisch fokussierenden Systems 11 und eine Anzahl größerer Wellenlängen bis hin zur größten (Rot). Dabei haben alle Wellenlängen zwischen den extremen Wellenlängen Blau bis Rot einen K-Wert, der zwischen den extremen Werten für einen Wertebereich von V liegt, und die Abbe-Zahl, die das Intensitätsverhältnis K minimiert, wird dann zur Dimensionierung des optisch fokussierenden Systems 11 , 30, 31 ausgewählt.
Bei einem Wechsel des Lichtmodulators 4 und/oder des optisch fokussierenden Systems 11 , 30, 31 ist die Abbe-Zahl V jeweils neu zu berechnen.
Die Berechnung der Kardinalelemente für das refraktive optisch fokussierende System wird an zwei Beispielen mit unterschiedlicher Abbe-Zahl V erläutert:
a) Für die erste Doppellinse 30 des optisch fokussierenden Systems gemäß Fig. 4a werden folgende Parameter angegeben: Abbe-Zahl V der zweiten Komponente (Linse 21): 5, wie in Fig. 4a, Fig. 5a gezeigt ist,
Anfangsfläche: F1
Endfläche: F5
Wellenlänge Gelb mit 587,562 nm als Referenzwellenlänge
Orientierung: Y-Z
Linsenmaßeinheiten: Millimeter
Die Objektraum-Positionen werden in Bezug auf eine erste Fläche/Ebene F1 gemessen.
Die Bildraum-Positionen werden bezüglich einer fünften Fläche F5 gemessen.
Figure imgf000017_0001
b) Für die zweite Doppellinse 31 des optisch fokussierenden Systems gem. Fig. 4b werden folgende Parameter angegeben.
Abbe-Zahl V der zweiten Komponente (Linse 23): 36,6, wie in Fig. 4b, Fig.δb gezeigt ist,
Anfangsfläche: F1
Endfläche: F5 Wellenlänge Gelb 587,562 nm als Referenzwellenlänge
Orientierung: Y-Z
Linsenmaßeinheit: Millimeter
Die Objektraum-Positionen werden in Bezug auf eine erste Fläche/Ebene F1 gemessen. Die Bildraum-Positionen werden bezüglich einer fünften Fläche F5 gemessen.
Figure imgf000018_0001
Der Aufbau der optisch fokussierenden Systeme 30,31 ist ein möglicher Aufbau für eine Brennweite von 7,12 mm (bei 588 nm), basierend auf dem Linsenduplet 20, 21 und 22, 23. Der einzige Unterschied zwischen den beiden Varianten in den Fig. 4a, 5a und Fig. 4b, 5b ist die Abbe-Zahl V2 der zweiten Linse; die Abbe-Zahl V2 beträgt 5 in dem einen Fall und 36,6 im anderen Fall.
Aus den Tabellen und den Figuren mit den Strahlengängen in Fig. 4a und in Fig. 4b ist ersichtlich, dass die geometrischen Parameter für beide optisch fokussierende Systeme 30, 31 gleich sind.
Die Spot-Diagramme Fig. 5a und Fig. 5b bei außeraxialer Abbildung und kollimierter Beleuchtung für die drei Wellenlängen Rot, Grün, Blau werden für einen Feldwinkel α von 2° berechnet, wobei die Spot-Diagramme 12, 13 vergrößert in gleicher Größenordnung dargestellt sind, so dass in der Realität auch das Spot-Diagramm 13 in Fig. 5b etwas kleiner als das Spot-Diagramm 12 in Fig. 5a ist.
Es kann geschlussfolgert werden, dass für die zwei optisch fokussierenden Systeme 30 und 31 , die die gleichen Brennweiten fo und fß und allgemeiner: die gleichen geometrischen Parameter für eine vorgegebene Referenzwellenlänge haben und wegen der unterschiedlichen Abbe-Zahl V der zweiten Komponente des Linsenduplets zwei verschiedene Ausbildungen 12, 13 der Spot-Diagramme für vorgegebene Wellenlängen haben, wobei die angemessene Wahl des Glasmaterials für die Minderung der Gesamtdispersion ausschlaggebend ist. Dabei beträgt das Verhältnis der Abstände des grünen und blauen Zentrums zum Durchmesser des blauen Spot-Diagramms - im Spot-Diagramm 12 31 % für das optisch fokussierende System 30 mit der Abbe- Zahl 5 der zweiten Komponente - Linse 21 -, und das grüne Spot-Diagramm 402 und das blaue Spot-Diagramm 403 sind voneinander getrennt ausgebildet,
- im Spot-Diagramm 13 12% für das optisch fokussierende System 31 mit der Abbe- Zahl 36,6 der zweiten Komponente - Linse 23 -, so dass die drei Spot-Diagramme Rot,
Grün, Blau 411 , 412, 413 weitgehend zentriert überlagert sind.
Damit ist gezeigt, dass in der beschriebenen Einrichtung 1 auf die beschriebene Art und Weise durch eine gezielte Chromatisierung der dem Lichtmodulator 4 nachgeordneten optischen Abbildungssysteme 11 ,30,31 eine weitgehende Korrektur der Wellenlängenabhängigkeit beugungsbasierter Systeme mit Lichtmodulatoren erreicht werden kann.
Bezugszeichenliste
1 Einrichtung
2 Struktur
3 Struktur 4 Lichtmodulator
5 Lichtquelle
6 Lichtstrahlenbündel
7 Beugungsordnung Rot
8 Beugungsordnung Blau 9 Flächennormale
10 Filterebene
11 Refraktives optisch fokussierendes System
12 polychromatisches Spot-Diagramm
13 polychromatisches Spot-Diagramm 14 Filter
15 Filter
20 Linse
21 Linse
22 Linse 23 Linse
24 einfallender weißer Lichtstrahl
30 Doppellinse
31 Doppellinse 40 Einrichtung 401 monochromatisches Spot-Diagramm
402 monochromatisches Spot-Diagramm
403 monochromatisches Spot-Diagramm
411 monochromatisches Spot-Diagramm
412 monochromatisches Spot-Diagramm 413 monochromatisches Spot-Diagramm
50 Einrichtung
111 chromatisches optisch fokussierendes System
112 chromatisches optisch fokussierendes System V Abbe-Zahl
VI Abbe-Zahl einer ersten Linse V2 Abbe-Zahl einer zweiten Linse nd Brechungsindex nF Brechungsindex nc Brechungsindex BOR Beugungsordnung BOG Beugungsordnung BOB Beugungsordnung LQR Lichtfarbquelle LQG Lichtfarbquelle LQB Lichtfarbquelle fλB Brennweite für die Wellenlänge Blau λB fλR Brennweite für die Wellenlänge Rot λR /λ0 Referenzbrennweite für die Referenzwellenlänge A0
D Versatz
OB Objektbrennebene
OH Objekthauptebene
F1 erste Fläche F5 fünfte Fläche
BB Bildbrennebene
BH Bildhauptebene fo Objektbrennweite für die Referenzwellenlänge fß Bildbrennweite für die Referenzwellenlänge α Einfallswinkel αi Beugungswinkel
C(2 Beugungswinkel h Höhe d Abstand

Claims

Patentansprüche
1. Einrichtung (1 ) zur Korrektur der Wellenlängenabhängigkeit in beugungsba- sierten optischen Systemen, in denen eine Filterung von bestimmten Beugungsordnungen vorgesehen ist, enthaltend mindestens einen diffraktiven optischen, mit steuerbaren Strukturen (2, 3) versehenen Lichtmodulator (4) und mindestens eine Lichtquelle (5) zur Beleuchtung des Lichtmodulators (4), wobei zugehörige wellenlängenabhängige Beugungsordnungen (7, 8) entstehen, die wellenlängenabhängig einen auf die Flächennormale (9) des Lichtmodulators (4) bezogenen lateralen chromatischen Versatz (D) bezüglich der Lage ihrer unterschiedlichen Ausdehnungen (BOR, BOG, BOB) in einer durch die Brennweite eines nachfolgenden optischen Systems festgelegten Filterebene (10) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass dem diffraktiven Lichtmodulator (4) ein refraktives optisch fokussierendes System (1 1 , 30, 31 ) nachgeordnet ist, dessen chromatische Eigenschaften bezüglich der gleich- zahligen wellenlängenabhängigen Beugungsordnungen auf die chromatische Diffraktion der gleichen gleichzahligen Beugungsordnungen des Lichtmodulators (4) abgestimmt sind, wobei in einer vorgegebenen Filterebene (10) nach dem refraktiven optisch fokussierenden System (11 , 30, 31 ) eine möglichst zentrierte Überlagerung der gleichzahligen Beugungsordnungen
(BOR, BOG, BOB) verschiedener Wellenlängen (Rot, Grün, Blau) vorgesehen ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Größe der refraktiven Dispersion des optisch fokussierenden Systems (11 , 30, 31 ) gleich der Größe der diffraktiven Dispersion des Lichtmodulators (4) ist, wobei die refraktive Dispersion und die diffraktive Dispersion entgegengesetzt ausgebildet sind und sich weitgehend kompensieren.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in der Filterebene (10) eine Filterblende (14, 15) angeordnet ist, die nur gleichzahlige Beugungsordnungen verschiedener Wellenlängen (Rot Grün, Blau) durchlässt.
4. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das optisch fokussierende System (11 , 30, 31 ) aus mindestens zwei Linsen (20, 21 ; 22, 23) besteht.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Brechungsindizes mindestens einer Linse des optisch fokussierenden Systems (11 , 30, 31 ) für die Wellenlängen Rot, Grün, Blau in Abhängigkeit von der Abbe-Zahl (V) gemäß Gleichung
V = (nd - 1 )/(nF - nc) (I)
ausgebildet sind und die Beugungsbilder der Wellenlängen Rot, Grün, Blau der gleichzahligen Beugungsordnungen für den Brechungsindex (nd) der gelben Wellenlänge in der Filterebene (10) zentriert überlagern.
6. Einrichtung nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Linsen (20, 21 ; 22, 23) des refraktiven optisch fokussierenden Systems eine Doppellinse (30,31 ) darstellen, wobei die eine Linse (20, 22) eine vorgegebene Abbe-Zahl V1 aufweist und die andere Linse (21 , 23) mit einer auf die Abbe-Zahl V1 der ersten Linse (20, 22) abgestimmten Abbe-Zahl V2 versehen ist.
7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Doppellinse (30, 31 ) mit gleichen geometrischen Parametern ein Linsenduplet darstellt, das zwei plankonvexe Linsen (20, 21 ; 22, 23) aufweist, deren plane Flächen sich gegenüberliegend und zueinander parallel gerichtet sind.
8. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Brechungsindizes (nd, nF, nc) der Abbe-Zahl V2 der zweiten Linse (21 ; 23) des Linsenduplets aus einem vorgegebenen Wert der
Abbe-Zahl V1 der ersten Linse (20; 22) für eine weitgehend zentrierte Überlagerung der Beugungsbilder der zugehörigen Wellenlängen Rot, Grün, Blau in der Filterebene (10) bestimmt sind.
9. Einrichtung nach Anspruch 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mit den vorgegebenen und bestimmbaren Abbe-Zahlen V und den zugehörigen Brechungsindizes (nd, nF, nc) das Glasmaterial oder die Glasmaterialien der jeweiligen vorgegebenen Linsen (21 , 23) des optisch fokussierenden Systems (1 1 ,30, 31 ) ermittelbar sind.
10. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Lichtquelle (5) eine einzige weißstrahlende Lichtquelle mit den drei darin befindlichen Wellenlängen Rot, Grün und Blau vorgesehen ist.
11. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Lichtquelle (5) eine Lichtquelleneinheit mit verschiedenfarbigen Lichtquellen LQR, LQG, LQB (51 , 52, 53) mit den Wellenlängen Blau, Grün, Rot vorgesehen ist, die an einer Stelle oder an verschiedenen Stellen in einer senkrecht zur Flächennormalen (9) ausgebildeten Ebene angeordnet sind.
12. Einrichtung nach mindestens einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtmodulator (4) eine optisch aktive Schicht in Form einer ebenen doppelbrechenden Schicht hat, die Flüssigkristalle enthält, deren Brechungsindex-Ellipsoid durch Anlegen eines elektrischen Feldes an die als Pixel ausgebildeten Strukturen (2, 3) steuerbar ist.
13. Einrichtung nach mindestens einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtmodulator (4) steuerbare elektromechanische Strukturen mit diffraktiven optischen Eigenschaften aufweist.
14. Einrichtung nach mindestens einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtmodulator (4) ein akusto-optischer Modulator ist.
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