DE2322652A1

DE2322652A1 - Optisches system zur bilduebertragung

Info

Publication number: DE2322652A1
Application number: DE2322652A
Authority: DE
Inventors: Charles John Koester
Original assignee: American Optical Corp
Current assignee: Warner Lambert Technologies Inc
Priority date: 1972-06-06
Filing date: 1973-05-03
Publication date: 1973-12-20
Also published as: GB1417466A; JPS4963448A; US3758188A; DE2322652C2; JPS568325B2

Description

PATENTWNWALT IM BEMJiXi₃ 25.4.1373

MANFRED MfEHE faucenked*

TeirSrc:: ISST? Ti 355Γ «I"3ST >

Drplom-Chemiker "

ÄO-16OO US/02/2O78.

AMERICAN OPTICAL· CORPORAT IO Ef Southbridge, Mass, Q155O, OSA

Optisches System zur Bildübertragung

Es wird ein optisches System für die Übertragung zweidimensionaler achromatischer Bilder von einer Stelle an eine andere Stelle, die im Abstandsverhältnis vorliegen, unter Anwenden einer einzigen folienartigen Schicht, oder nicht mehr als einiger weniger benachbarter folienartiger Schichten, aus langen faseroptischen Komponenten, sowie eine Lichtbeugungs- und Bildausbildungs-Anordnung im Zusammenhang hiermit geschaffen.

Die Erfindung betrifft allgemein optische Systeme für die übertragung zweidimensionaler optischer Bilder vermittels einer einzigen Reihe, oder bestenfalls einiger weniger benachbarter Reihen, langer faseroptischer Komponenten von einer Stelle zu einer anderen im Äbstanäsverhältnis hierzu vorliegenden Stelle. Die Erfindung betrifft insbesondere ein optisches System derartig verbesserter Bauart und optischer Auslegung, daß es möglich wird zweidimensional achromatische und nahezu achromatische optische Bilder mit guter Auflösung und optischer Qualität vermittels einer einzigen folienartigen Schicht, oder einigen wenigen benachbarten folienartigen Schichten aus langen faseroptischen Komponenten von einer Stelle zu einer zweiten im Abstandsverhältnis hierzu vorliegenden Stelle zu übertragen.

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23226:

Das erfindaiigsgesäSe optische Sjstesi weist. eisne sresraarfcig verbesserte Bauart 12nd optische Auslegung aufs, daß aasiger lange faseroptische Komponenten für die übertragung achromatischen optischen Bildes von einer erstes, sa zweiten im Abstandsverhältnis hierzu vorliegendem Stalle möglich ist" im Vergleick zu dem Stand der Technik =, Elsa derartiges verbessertes optisches System^ bei dem lediglicli eine einzige Schicht, oder bestenfalls einige wesige ■Schichten der Komponenten, angewandt werden _c weist licli geringeres Gewicht auf und - ist preiswerter fserzustellen als dies vergleichsweise bei einem herköissilichen EfIaSaI der Komponenten für den gleichen Zweck der Fall ist«

Das verbesserte erfindungsgeiaäSe optische BildübertragungssysteiE wendet nach einer bevorzugten ÄusfüferangsEona lediglich eine eiszige !aage folienartig® Schicht oder ÄE^rdiiiing aus faseroptischen Komponenten mit gleiches geometrischen Verteilungen an deren gegenüberliegenden Enden an. Benachbart

zu den gegenüberliegenden Enden dieser folienartigen Schicht werden zwei allgemein ähnliche Lichtübertragongssystsaie angewandt _f deren jedes eine Bildaasbildungsanorda-ang «nd Iiichtbeugungsanordnung in einem geeignet.angeordneten Ve^iältnis zueinander aufweist» Diese zwei - Lichtübertragungssysiteme weisen einen speziellen Aufbau auf_# wie weiter untern im einseinen erläutert, und dieselben sind optisch rickfcig zu und in einem vorherbestimmten Äbstands- unü Orientierisngsverhältnis relativ zu den gegenüberliegenden Enden (äieser folienartigen Schicht angeordnet.

Bei einer geringfügig abgewandelten erfiadungsgemäßeai Äusführungsfoirm können einige wenige benachbarte folie&artige Schichten der faseroptischen Komponenten angewaaät werden, die in gleicher geometrischer Verteilung benachbart su deren gegenüberliegenden Enden angeordnet sind ^ tsa so -sins größere Kapazität für das System bezüglich der Saiamimig des Isichtfiusses und der übertragung sowie verbesserter SmfISsung in der Abbildung zu ergeben.

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Erfindungsgemäß ist es weiterhin möglich _r eine Mehrzahl an Mehrfachfaser-Komponenten anstelle optischer Einzelfaser-Komponenten bei der Ausbildung der folienartigen Schicht anzuwenden, und, falls dies der Fall ist, kann eine verbesserte Bildauflösung und Achromatisation erzielt werden.

In bestimmten Fällen, insbesondere dann, wo der Raum begrenzt oder das Gewicht einen wichtigen Überlegungsfaktor darstellt, kann die Übertragung zweidimensionaler optischer Bilder von einer zu einer anderen Stelle vermittels eines optischen Systems, bei dem eine einzige folienartige Schicht aus vielen kleinen langen, optischen Faserkomponenten angewandt wird anstelle eines herkömmlichen Bildübertragungsbündels aus optischen Faserkomponenten einen wesentlichen Vorteil darstellen. Durch das Anwenden einer derartigen einzigen Schicht der Komponenten anstelle eines Bündels ist es z.B. möglich, gute optische Bilder durch eine einzige folienartige Schicht aus tausend optischen Faserkomponenten zu übertragen anstelle der Übertragung durch ein herkömmliches quadratisches Bündel, bei dem 1000 optische Faserkomponenten an jeder Seite vorliegen. Dies würden natürlich eine Million Komponenten sain, die allesamt in ähnlicher Weise an deren gegenüberliegendem Enden angeordnet sein müßten, um die Kohärenz aufrecht zu erhalten.

Ein optisches System unter Anwenden einer einzigen Schicht der Komponenten, das in der Lage ist, zweidimensional optische Bilder von einer zu einer anderen Stelle zu übertragen, ist bereits bekannt, siehe die US-PS 3 471 214. Jedoch sind die durch das optische System dieser US-PS 3 471 214 übertragenen zweidimensionalen Bilder nicht achromatisch oder bezüglich des Gegenstandes gefärbt. Dieselben werden durch eine Dispersion von Spektralfarben wiedergegeben, und somit würden die Wörter einer in üblicher Weise schwarz und weiß bedruckten Seite bei einem derartig übertragenen Bild als schwarze Buchstaben auf einem Hintergrund unterschiedlicher Farben auftreten.

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Durch Anwenden des erfindungsgemäßen verbesserten optischen Systems ist es möglich, zweidimensionale Bilder durch eine einzige folienartige Schicht langer optischer Faserkomponenten zu übertragen, die in den gleichen natürlichen Farben wie denjenigen des Gegenstandes unter guter Bildauflösung erhalten werden.

Die US-PS 3 191 487 beschreibt sehr ve'rwickelte optische Systeme mit recht zweifelhafter praktischer Nutzbarkeit, die gewisse Ähnlichkeiten mit dem Erfindungsgegenstand haben. Die wesentliche Ausführungsform nach dieser Veröffentlichung beschreibt ein System für die Übertragung von Bildern durch ein eine einzige Öffnung aufweisendes Lichtrohr oder Faserbündel. Es wird ein reflektierendes Beugungsgitter angewandt, das mit einem Stufengitter gekreuzt ist zwecks Ausbilden eines Faltspektrums. Das ausgebildete Bild ist sehr chromatisch - jeder Bildpunkt wird durch eine einzige Wellenlänge wiedergegeben - und das optische Feld ist zusammengepreßt, und weiterhin kann der hier vorliegende Erfindungsgegenstand dort kaum Nutzanwendung finden im Hinblick auf das Erfordernis spezieller diskreter Spektrallinien im Inneren der .Erfindungsfläche. Da nach dieser Veröffentlichung so viele überlappende Ordnungen erforderlich sind wie der Anzahl der in der fertigen Abbildung erforderlichen Liniennormalerweise 100 bis 1000 Linien - würde ein derartiges grobes Gitter oder Stüfengitter bei weitem zu viele überlappende Ordnungen ausbilden, wodurch sich ein extrem schmales achromatisches Feld bei der Anwendung im Zusammenhang mit dem Erfindungsgegenstand ergeben würde.

Nach der genannten Veröffentlichung ist das Bedürfnis nach einer achromatischen Abbildung erkannt worden. In diesem Zusammenhang wird dort vorgeschlagen, daß dies dadurch erreicht werden kann, daB man Teile der Spektren in den röten, gelben, blauen Gebieten in entsprechender Weise für jeden Objektpunkt überträgt. Jedoch findet sich in der genannten

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Veröffentlichung keine Erkenntnis oder Anregung dahingehend, daß mehrfach überlappende Ordnungen, wie sie durch ein Beugungsgitter ausgebildet werden, für die Übertragung achromatischer Bilder durch ein kohärentes Faserbündel angewandt werden können, wobei das Bündel eine querseitige Abmessung kleiner als das Objektfeld aufweist. Die Ausführungsformen nach den genannten Veröffentlichungen bezüglich der Achromatisierung offenbaren das Anwenden von Mehrfach-Faserbündeln und Interferenzfiltern zusammen mit Prismadispersions-Anordnungen.

Eine wesentliche der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht somit darin, ein optisches System für die Anwendung im Zusammenhang mit der Übertragung von einer ersten zu einer zweiten im Äbstandsveriiältnis hierzu vorliegenden Stelle zu schaffen von zweidimensionalen achromatischen oder bezüglich des Gegenstandes gefärbter optischer Bilder.

Erfindungsgemäß wird ein optisches System für die Übertragung eines zweidimensionalen achromatischen Bildes zu einer hierzu entfernt vorliegenden Ebene geschaffen. Das optische System weist zwei lichtübertragende Systeme auf, wobei eine faseroptische Anordnung zwischen denselben und ausgerichtet hierzu vorliegt. Die Faseranordnung besteht aus einer relativ großen Anzahl kohärent verteilter Fasern mit einer querseitigen Abmessung, die wesentlich kleiner als die querseitige Abmessung des Objektfeldes ist. Das erste lichtübertragende System enthält eine Linsenanordnung, die für die Fokussierung auf das Objektfeld angeordnet ist und einen konjugierten Brennpunkt praktisch in der Ebene des Einlasses der Anordnung aufweist. Weiterhin liegt eine Beugungsanordnung vor, die eine Mehrzahl an Ordnungen mit überlappenden Wellenlängen ausbildet. Die optische Fasex-anordnung ist bezüglich dsr überlappenden Wellenlängen so ausgerichtet, daß wenigstens drei spezielle diskrete Wellenlängen für jeden Punkt des optischen Bildes übertragen werden. Das zweite licht-

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übertragende-System ist so angeordnet, daß eine Fokussierung an dem Auslaßende der Faseranordnung vorliegt und weise in ähnlicher Weise eine Beugungsanordnung für das Ausbilder einer Mehrzahl entsprechender Ordnungen, ausgehend von jeder übertragenen Wellenlänge, auf_r wodurch eine praktisch achromatische Abbildung in der angestrebten Brennpunktsebene zur Ausbildung kommt.

Es versteht sich natürlich, daß die einzelne Schicht der lichtleitenden Komponenten, die eine derartige bildüberitragende Anordnung, wie oben angegeben, bilden, jede geeignete Länge aufweisen kann. Es versteht sich weiterhin, daß die QuerschnittsgröSe der einzelnen Komponenten einer derartigen Schicht entsprechende Abmessungen aufweisen kann - dieselben werden üblicherweise aus einem langen Kern aus durchsiehtxgem Glas oder Kunststoff mit einem vorherbestimmten Brechungsindex gebildet, der durch eine dünne Umkleidung aus durchsichtigem Glas oder Kunststoff mit kleinerem vorherbestimmten Brechungsindex umgeben ist -. Die Größe muß natürlich in Übereinstimmung mit der speziellen vorgesehenen Anwendung der optischen BiIdübertragungsanordnung und der relativen Größe des kleinsten zu übertragenden Details stehen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. I eine diagrammförmige. Darstellung, eines erfindungsgemäßen optischen Systems.

Fig. 2 eine vergrößerte Querschnittsansicht praktisch längs der Schnittlinie 2-2 nach der Fig. 1 in Blickrichtung dar Pfeile.

Fig. 3 eine vergrößerte Querschnittsansicht praktisch .Längs der Schnittlinie 3-3 nach der Fig. 1 in Blickrichtung ier Pfeile.

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„ "7 —

Fig. 4 eine vergrößerte Querschnittsansicht praktisch längs der Schnittlinie 4-4 nach der Fig. 1 in Blickrichtung der Pfeile.

Fig. 5 eine vergrößerte weggebrochene Ansicht im Schnitt eines Teils einer Kombination aus einem Beugungsgitter und Linse, die bei dem optischen System bei der Fig. 1 angewandt werden kann.

Fig. 6 eine schematische Ansicht zwecks Erläuterung des Erfindungsgegenstandes.

Fig. 7 eine schematische Darstellung und zeigt einen Teil eines optischen Systems.

Figuren 8 und 9 sind Querschnittsansichten abgewandelter Bauarten, die bei dem optischen System bei der Fig. 1 angewandt werden können.

unter Bezugnahme auf die Seichnungen und insbesondere die Fig. 1 ergibt sich, daß ein verbessertes optisches System für die übertragung zweidime2isioaal@r, aclircfiia-cissher oder praktisch achromatischer optischer Ei Idsr von 'einer ersten au einer zweiten im Abstandsverhältnis hierau vorliegenden Stelle dort diagrammförmig durch das BezugszeicfeeB 10 wiedergegeben ist. Dieses optische System weist eine faseroptische Anordnung 12 und ein Paar lichtübertragender Systeme 16 und 20 auf, die in einem Arbeitsverhältnis hierzu angeordnet sind.

Die optische Anordnung 12, die eine geeignete vorherbestimmte Länge aufweisen kann, ist in dem System so angeordnet, daß das vordere oder Eingangsende 14 optisch ausgerichtet mit dem ersten lichtübertragenden System 16 steht, und das Auslaßende 18 ist optisch ausgerichtet mit dem zweiten und allgemein ähnlichen lichtübertragenden System 20.

Die weiter unten im Einzelnen erläuterte faseroptische Anordnung 12 weist ihre gegenüberliegenden Enden optisch ausgerichtet mit beiden lichtübertragenden Systemen und im ge-

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eigneten Abstandsverhältnis zu und orientiert relativ zu den lichtübertragenden Systemen 16 bzw. 20 auf.

Das erste lichtübertragende System 16 weist optisch längs der Achse 17 die Linse 22, das Beugungsgitter 25 und die Linse 26 auf. Das Beugungsgitter 25 führt zu einer Lichtdispersion in Mehrfachordnung in der Ebene des auf das Gitter auffallenden Lichtes.

In gleicher, jedoch umgekehrter Weise besitzt das zweite lichtübertragende System 2O längs der optischen Achse 21 nacheinander die Linse 35, das Beugungsgitter 36 und die Linse 34. Das Gitter 36 führt zu einer Lichtdispersion in der Ebene des Diagramms.

Die Linsen 22 und 26 sind, wie durch die Lichtstrahlen 37 angezeigt, so angeordnet, daß die Strahlen von einer Objektebene 38 auf eine Abbildungsebene 44 fokussiert werden. Das Objekt 40, z.B. kann ein Diapositiv sein. Die Abbildungsebene 44 weist das Einlaßende 14 der faseroptischen Anordnung 12 auf und ist hierzu koplanar. Die Objektebene 38 kann durch weißes erleuchtet werden, wie durch die Lichtstrahlen 2 wiedergegeben.

In gleicher Weise, wie durch die Lichtstrahlen 46 angezeigt, sind die Linsen 34 und 35 des übertragungssystem 20 so angeordnet, daß die Strahlen von einer Objektebene 48 koplanar zu dem Ausgangsende 18 der faseroptischen Anordnung 12 auf eine Abbildungsebene 50 fokussiert werden. Ein Betrachtungsschirm 52 oder dgl. kann in dieser Abbildungsebene angeordnet sein für den Empfang der Lichtstrahlen von der Anordnung 12 und Wiedergabe der hierdurch übertragenen Abbildung.

Es sind undurchsichtige Platten 54 und 56 gezeigt zwecks Tragen der gegenüberliegenden Enden der faseroptisehen^Anordnung 12 in einem geeignet ausgerichteten Verhältnis zu dem optischen übertragungssystemen 16 bzw. 20 und in entsprechendem Orientierungsverhältnis praktisch rechtwinklig relativ zu der Ebene des auffallenden Lichtes auf die Gitter 25 bzw.

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Die faseroptische Anordnung 12 kann eine relativ große Zahl oder eine Mehrzahl an ähnlichen dünnen, langen, lichtleitenden, faseroptischen Komponenten herkömmlicher Art aufweisen. Dieselben sind Seite-an-Seite allgemein parallel zueinander wenigstens benachbart zu deren entsprechenden gegenüberliegenden Enden dergestalt angeordnet, daß eine einzige lange, folienartige Schicht gebildet wird« Derartige individuelle, lichtleitende Komponenten werden allgemein durch einen dünnen, langen, transparenten Kern aus Glas (oder Kunststoff) geformt., der einen vorherbestimmten Brechungsindex aufweist, wobei der Kern über seine gesamte Länge durch eine dünne transparente Umkleidung aus Glas (oder Kunststoff) mit einem niedrigeren vorherbestimmten Brechungsindex umgeben ist zwecks Ausbilden einer inneren Reflexion.

Fig. 2 ist eine vergrößerte Ansicht im Schnitt im wesentlichen längs der Schnittlinie 2-2 nach der Fig. 1 und soll ein Diapositiv oder dgl. 4O zeigen, das ein zweidimensionales Bild aufweist, welches in seiner vollen Farbe durch das optische System übertragen werden soll. Zwecks Erläuterung liegt dieses Bild in Form eines Paars gekreuzter Pfeile BAC und DAE vor, und jedes derselben kann als eine unterschiedliche Farbe aufweisend betrachtet werden, wobei beide auch noch gegenüber ihrem Hintergrund unterschiedliche Farbe besitzen.

Die Fig. 4 ist eine vergrößerte Ansicht im Schnitt im wesentlichen längs der Schnittlinie 4-4 nach der Fig. 1 und soll die zweidimensional© Abbildung des Gegenstandes 40 wiedergeben, die durch das optische Systeia 20 zu der Abbildungsebene 50 übertragen worden ist. Es handelt sich hierbei um eine achromatische oder vollständig gefärbte Abbildung bei der Wiedergabe derselben auf dem Betrachtungsschirm 52.

Die Fig. 3 zeigt in etwas vergrößertem Maßstab die nicht durchsichtige Platte 54 für das Tragen des Eingangsendes

- IO -

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der einzigen, folienartigen Schicht 12 aus vielen faseroptischen Komponenten, mm jedoch die Erläuterung zu vereinfachen _r ist hier die Anzahl der Faserkoniponenten wesentlich verringert und der Durchmesser jeder Komponente erheblich vergrößert wiedergegeben worden. In dieser Figur ist die linke Komponente durch 14a, die Mittlere Komponente dErcla 14b und die rechte Komponente durch 14c wiedergegeben- In Ser Praxis jedoch würde die Anzahl der pro Zentimeter angewandten Komponenten außerordentlich groß und die DurchiEesser «derselben in entsprechender Weise klein sein, und dies steht natürlich in fibereinstinauing mit der angestrebten Auflösung des übertragenen Bildes.

Wie weiter oben angegeben, handelt es sich bei der üichtstreuanordnung xxm ein mit Durchlässigkeit arbeitendes Beugungsgitter. Wahlweise kann auch ein mit Reflexion arbeitendes Beugungsgitter angewandt werden. Eine dritte Möglichkeit ist die Kombinationeines init Durchlässigkeit arbeitenden Beugungsgitters und eines Prismas, die in entsprechender Weise relativ zueinander ausgerichtet und orientiert sind. Im letzteren Fall sind die Einzelteile der Streuanordnung so angeordnet, daß die Streuung durch das Prisma bewirkt wird und das Gitter in praktisch der gleichen querseitigen Ebene liegt, und zwar in der Einfallebene des Prismas.

Wie anhand der Fig. 5 gezeigt, ist das Beugungsgitter 25 mit seinen parallelen Schlitzen oder Ausnehmungen praktisch senkrecht zu der Zeichnungsebene angeordnet, und das hierdurch gebeugte Licht liegt in einer Richtung praktisch parallel zu der Zeichnungsebene vor. Es sei angenommen, daß das Beugungsgitter 25 mit einem geeigneten vorherbestimmten Gitterabstand versehen· ist, wie durch die Entfernung S zwischen benachbarten parallelen Schlitzen oder Ausnehmungen 25a und 25b angezeigt, die in entsprechender Weise in der Platte ausgebildet sind* Es ist möglich, achromatische oder praktisch achromatische optische Bilder - zur Erläuterung sei darauf

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hingewiesen, daß die echte Farbe des Objektes synonym mit einem achromatischen Bild ist - durch das optische System IO selbst dann zu übertragen, wenn lediglich eine einzelne Schicht der Fasern angewandt wird.

Zwecks Erläuterung des Prinzips auf dessen Grundlage das verbesserte erfindungsgemäße optische System arbeitet, sei zunächst auf das Grundsätzliche eines einfacheren optischen Systems zur Herstellung von Abbildungen verwiesen, wo lediglich eine Beugungsordnung ausgehend von dem Gitter zur Anwendung kommt. Das Prinzip ist das gleiche wie nach der US-PS 3 471 214. Von jedem Punkt in dem Gegenstand wird eine spezielle Wellenlänge des Lichtes durch das Gitter abgelenkt und durch die Linse auf das Einlaßende der Faser fokussiert. Bezüglich der in der Fig. 1 gezeigten Konfiguration würden längere Wellenlängen von dem unteren Teil des Gegenstandes 38 durch das Gitter 25 so abgelenkt, daß dieselben auf das Einlaßende 14 der Faser 12 auffallen. Somit empfängt eine gege- · bene Faser eine spezielle Wellenlänge von jedem Funkt längs einer Linie in dem Gegenstand, und diese Linie liegt parallel zu der Papierebene vor. Eine benachbarte Faser empfängt eine Wellenlänge von Punkten in einer benachbarten Linie in dem Gegenstand.

Somit werden die von einem Objektpunkt ausgehenden Lichtstrahlen anstelle der überführung in einem einzigen Lichtpunkt in der Brennebene 44 in Spektren gebeugt, die in Obereinstinunung mit der Art des von dem Gegenstand 38 empfangenen Lichtes ausgebildet werden. Somit wird ein Teil des Lichtes von einem Punkt tatsächlich in die Komponente 14b eintreten. In ähnlicher Weise wird jeder andere beleuchtete Punkt in dem Objektfeld 40, der in der gleichen Ebene wie derjenige des gestreuten Lichtes liegt, in ähnlicher Weise als Spektrallinien-Abbildung an dem Abbildungsfeld 44 reproduziert, und jeder derselben an einer mittleren konjugierten Stelle (conjugate location) entspricht der ursprünglichen Stelle des Punktes oder Flecks.

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Als Ergebnis hiervon werden sich diese Spektrallinien-Abbildungen in der gleichen Streuebene verschiedentlich zueinander überlappen, und es wird Licht yon anderen Punkten und mit unterschiedlichen Wellenlängen in die Komponente 14 eintreten. Da eine waagerecht angeordnete Reihe fiberoptischer~ Komponenten durch die Schicht 12 gegeben ist, wobei die Einlaßenden (14a-14c) der Komponenten sich in der Abbildungsebene 44 befinden, wird weiterhin Licht von allen anderen seitlich in Beziehung stehenden Punkten in.dem Objektfeld 40 in ähnlicher Weise durch senkrecht gestreutes Licht in der Abbildungsebene 44 wiedergegeben, und ein Teil dieses Lichtes von jeder seitlich in Beziehung stehenden Stelle wird in die entsprechende Komponente eintreten. Somit wird, kurz umrissen, eine Vielfachabbildung durch das Licht von allen Teilen des Objektfeldes in der Abbildungsebene 44 ausgebildet, und ein Bruchteil dieses gestreuten Lichtes von jedem Objektpunkt wird seinerseits durch die entsprechenden Komponenten der folienartigen Schicht 12 übertragen.

Ein umgekehrtes optisches Verhalten wird an dem Auslaßende 18 der folienartigen Schicht der faseroptischen Komponenten auftreten, da dieses Vielfachlicht, durch das zweite übertragungssystem 20 hindurchtritt, und somit wird die sich ergeben- ' de zweidimensional Abbildung in der Abbildungsebene 54 eine ähnliche Größe und Form aufweisen, wie es durch die Pfeile B¹A¹C¹ und D¹A¹E¹ in der Fig; 4 angedeutet ist, und es wird eine Wiedergabe durch eine Kombination der Spektralfarben erfolgen.

Ein hierzu unterschiedliches Ergebnis wird jedoch dann erhalten, wenn die Beugungsgitter 25 und 34 einen Gitterabstand S dergestalt aufweisen, daß Mehrfachordnungen des gebeugten Lichtes in die Faser 12 eintreten können. In diesem Fall kann eine achromatische oder praktisch achromatische Abbildung des Gegenstandes in der Bildebene des Systems ausgebildet werden. Es,wird Licht von dem Objektfeld durch 4^as Gitter

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25 gestreut, und mehrere unterschiedliche Ordnungen dieses gebeugten Lichtes dazu gebracht, daß dieselben sich in der Brennebene 44 überlappen. Somit wird Licht unterschiedlicher Ordnungen und Wellenlängen in das Einlaßende 14 eintreten.

Dies ist schematisch in der Fig. 6 gezeigt, wo die axiale faseroptische Komponente 14b, die durch die Platte 54 in der Brennebene 44 getragen wird, zusammen mit den relativen Verhältnissen der drei unterschiedlichen Ordnungen des gebeugten Lichtes gezeigt ist, und zwar identifiziert als (η), (n+1) und (n+2), das sich dem Eingangsende der Komponente 14b in einem hierzu unterschiedlich versetzten Verhältnis nähert. Das gebeugte Licht der (n) Ordnung, das sich der Komponente nähert, wird durch die im Abstandsverhältnis wiedergegebenen orange und roten Pfeile und die Wellenlinie des Spektralwellenlängenbereiches zwischen denselben angezeigt. Das gebeugte Licht der (n+1) Ordnung wird durch die im Abstandsverhältnis wiedergegebenen grünen und orange Pfeile und die wellenförmige Linie des dazwischenliegenden Wellenlängenbereiches wiedergegeben. Das gebeugte Licht der (n+2) Ordnung wird durch die im Abstandsverhältnis gezeigten blauen und grünen Pfeile und die wellenförmige Linie des Wellenlängenbereiches zwischen denselben wiedergegeben.

Es tritt Energie von einem ausgewählten Objektpunkt der drei verschiedenen Wellenlängen, und zwar rot-orange, gelb und blau-grün in die Komponente 14b ein. Weiterhin strahlen weitere beleuchtete Objektpunkte in senkrechtem Abstandsverhältnis - parallel zu der Zeichnungsebene nach Fig. 1 - wie die Punkte B und C nach der Fig. 2 in ähnlicher Weise Licht aus, die nach dem Vorbeitritt an dem Gitter 25 Licht unterschiedlicher Wellenlängen in jeder Ordnung der faseroptischen Komponente 14b zusätzlich beitragen.

Wenn diese Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen und unterschiedlicher Ordnungen aus dem Auslaßende der Komponente 14b austreten, werden dieselben in umgekehrtem Sinne durch

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das zweite Gitter 36 gebeugt und durch die Linse 34 fokussiert. Wenn dies eintritt wird die rot-orange Strahlung der Ordnung CnJ des ersten ausgewählten Punktes um den gleichen Betrag abgelenkt wie die gelbe Strahlung der (n + I) Ordnung und die blau-grüne Strahlung der (n + 2) Ordnung von dem gleichen Punkt. Dieselben werden auch an dem Punkt in der Abbildung ankonatten, der dem Objektpunkt entspricht. Diese gleicfeen Wellenlängen können ebenfalls in anderen Ordnungen des gebeugten Lichtes der Abbildung auftreten, werden jedoch wesentlich gegenüber der Achse verschoben sein und würden durch die Feldbegrenzung 51 oder dgl. entfernt werden.

Deshalb fallen diese drei Wellenlängen zusammen und bilden zusammen eine mehr oder weniger achromatische Abbildung der Bildebene 50 - siehe ebenfalls Fig. 4 - des ausgewählten Objektpunktes. In ähnlicher Weise werden andere senkreckt im Abstaiids^erhältnis vorliegende Abbiidungspunkte, wie die Punkte B¹ und C, gebildet. Weiterhin wird jede faseroptische Komponente in der folienartigen Schicht in ähnlicher lieise arbeiten, so daß zusammen ein vollständiges zweidimensionales Bild übertragen wird. Wenn eine stärker achromatische Abbildung gewünscht wird als äie durch die drei verschiedenen Wellenlängen der unterschiedlichen Ordnung., wie soeben erläutert, ausgebildet wird, kann ein Gitter mit einem größeren Äbstandsverhältnis angewandt werden, wodurch sich eine erhöhte Überlappung der Ordnungen ergibt.

Um ein erfindungsgemäß achromatisches System zu erhalten, sind die folgenden Faktoren zu berücksichtigen:

1. Die Anzahl, m, der überlappenden Ordnungen, wie sie für

das Ausbilden der Achroraatisierung gewünscht wird.

2. Das gewünschte Winkelfeld,, Δ1.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 7 ergeben sich die folgenden einstellbaren Parameter:

Der Gitterabstand, S, und der Einfallswinkel, i, auf das Gitter.

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Um Verhältnisse zwischen den obigen Größen abzuleiten, sei begonnen mit der grundlegenden Gittergleichung

ηλ = S sin i (1)

wobei η = Ordnungszahl

λ = Wellenlänge ·

In der Gleichung (1) sei angenommen, daß der Beugungswinkel des das Gitter 25 verlassenen Lichtes sich auf Null beläufti

Es seien λ und λ die unteren und oberen Wellenlängen, zwischen denen die Achromatisierung der Abbildung angestrebt wird. Spezifisch werden an jedem Punkt in der Abbildung m Wellenlängen ausgehend von dem Spektralgebiet zwischen λ und λ überlagert. Die Ordnungszahlen für die Wellenlängen, λ und λ werden anhand der Gleichung (1) wie folgt erhalten:

n. = -y- S sin i (2)

^{1 λ}1

S sin i (3) '

Die Anzahl, m, der überlappenden Ordnungen wird einfach wiedergegeben durch

' m = n, - n_n = f-4 r-1 S sin 1 (4)

Es ist zu beachten, daß die Ordnungszahlen n. und n«, wie sie nahand der Gleichungen (2) und (3) erhalten worden sind, nicht ganzzahlige Werte zu sein brauchen. Dies bedeutet, daß die spezifischen Wellenlängen λ. und λ_ an dem betreffenden Abbildungspunkt nicht vorzuliegen brauchen. Anhand der Gleichung (4) ergibt sich, daß die Zahl m der überlappenden Ordnungen nicht notwendigerweise ein ganzzahliger Wert zu sein braucht.

Das Winkelfeld, Ai, kann ebenfalls von der grundlegenden Gittergleichung abgeleitet werden. Innerhalb des Blickfeldes muß jede Wellenlänge lediglich in einer Ordnung auftreten.

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Wenn eine gegebene Wellenlänge an zwei verschiedenen Abbildungspunkten (von zwei Ordnungen) auftreten sollte, würde dies bedeuten, daß zwei verschiedene Objektpunkte dem gleichen Abbildungspunkt Licht beisteuern könnten. In diesem Fall würde sodann ein Überlappen und Verwischung der Abbildungen auftreten. Dies Oberlappen der Ordnungen tritt mit größter Wahrscheinlichkeit an dem kurzen Ende der Wellenlänge der Abbildung auf, d.h. gilt für kleinere Werte von i.

Es sei angenommen, daß λ = die kürzeste Wellenlänge auf die der Detektor noch anspricht (oder wenn das Spektrum des zur Verfügung stehenden Lichtes begrenzend ist, sei λ = die in

GL

dem Beleuchtungslicht vorliegende kürzeste Wellenlänge). Es sei eine spezifischere Definition gegeben: λ ist die WeI-

lenlänge, oberhalb derer es nicht zweckmäßig ist _r zwei verschiedene Ordnungen in dem gleichen Blickfeld zu haben. Für das Auge kann man nehmen λ = 450 nm, da bei dieser Wellenlänge die Empfindlichkeit des Auges auf etwa 3% der maximalen Empfindlichkeit abgenommen hat. Für die Wellenlänge λ belau-

9.

fen sich die Gittergleichungen für zwei aufeinanderfolgende

Ordnungen η und η +1 auf
a a

η λ = S sin i (5)

CL CL ä

(η +1) λ, = S sin (i + ΔΙ) (6) a a a

Die Winkel i und i +ΔΙ sind die Grenzwerte des Feldes.

el el

Das Lösen der Gleichung (6) für Δ1 ergibt:

(η +1)λ.

und anhand der Gleichung (5) ergibt sich:

_Γ1 'V¹^a _ -i Va (7)

Δ1 = sin . „ c^ü . „

17

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Die Gleichungen (4) und (7) ergeben das Verhältnis zwischen den angestrebten Werten m und Δ1 und die einer Beeinflussung zugänglichen Parameter S und i. (Die Ordnungszahl, η , wird

et

anhand der Gleichung (5) bestimmt.) Die Gleichung (7) ist transzendent, d.h. man kann nicht direkt nach S ausgedrückt

in Ai, η und λ auflösen, a a

Es ist deshalb weiterführend für m einen Wert und für den Gitterabstand S Werte anzunehmen und die Gleichungen für Ai zu lösen. Die folgende Tabelle ergibt die berechneten Werte

für den Fall m = 4,4, λ = 486 nm, λ_

656 nm, λ = 450 nm.

Zeile 1: Die Gitterabstände, S, sind angenommene Werte.

Zeile 2: sin i wird anhand der Gleichung (4) berechnet. Der Winkel i läßt sich deuten als der Winkel, wo die angestrebte Zahl der überlappenden Ordnungen vorliegen wird. Bei größeren Winkeln werden mehr überlappende Ordnungen vorliegen.

Zeile 3: aus Zeile 2.

Zeile 4: η wird nach der Gleichung (5) erhalten. Wir berech-

3.

nen die Ordnungszahl, η , für die WEllenlänge λ bei

Cl CL

einem Winkel i . Um das Erfordernis für m überlappende Ordnungen zu erfüllen, muß der Winkel i gleich

el

dem Winkel i, berechnet in Zeile 3, sein. Zeile 5: Ai wird anhand der Gleichung (7) berechnet.

Zeile 1: Zeile 2: Zeile 3; Zeile 4: Zeile 5:

S = IO pm sin i = 0,825

i = 55,5° n_a = 18,3 Ai = 4,8°

Tabelle

13,3 um 0,619

38,2°

18,3 2,4°

33,3 ym
0,245

14,2°

18,3
0,8°

50 ym 100 um

0,165 9,5°

18,3

0,5°

0,0825 4,73° 18,3 0,26°

Wenn auch die weiter oben angegebenen Winkelfeldgrößen den kleinsten Gitterabstand (S = 10 ]im) zu begünstigen scheinen, muß doch ein weiterer wichtiger Faktor berücksichtigt werden.

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Es handelt sich hierbei um den Lichtbetrag, der in der gewünschten Richtung gebeugt wird. Auf dem Gebiet der Gittertechnologie ist das Verfahren zum Erzielen einer hohen Intensität bei großen Beugungswinkeln unter dem Begriff des sogenannten blazing bekannt. Deshalb steht die Auswahl des Gitterabstandes, S, im engen Zusammenhang mit dem sogenannten blazing-Winkel, der bei diesem speziellen Gitter erhalten werden kann. Allgemein lassen sich kleine blazing-Winkel leichter erzielen, insbesondere bei mit Durchlaß arbeitenden Gittern. Für größere , Gitterabstände, z.B. S = 5O ym, sind die Einfallswinkel kleiner, und deshalb kann ein relativ kleiner blazing-Winkel angewandt werden. Dieser Faktor wirkt sich deshalb als günstig für größere Gitterabstände bei mit Durchlässigkeit arbeitenden Gittern aus.

Die Reflexionsgitter, die nach dem Stufengitterprinzip arbeiten, können praktisch jeden blazing-Winkel ergeben, so daß die kleineren Gitterabstände günstig sind.

Die angegebenen kleinen Winkelfelder begrenzen, nicht notwendigerweise das der Betrachtung zugängliche Objektfeld. Vor dem Gitter kann ein Teleskop mit einer Vergrößerung von kleiner als dem Einheitswert angewandt werden. So wird z.B. ein Teleskop mit 1/10 Vergrößerung das Feld vergrößern, das mit ""■ dem Gitterabstand von 33,3 pm erhalten worden ist, und zwar von 0,8° auf 8°. Ein ähnliches Teleskop würde an dem Auslaßende des Faserinstrumentes erforderlich sein.

Wenn auch die obigen Erläuterungen sich im wesentlichen auf eine einzige Reihe oder folienartige Schicht faseroptischer Komponenten beziehen, liegt doch kein Grund vor, warum nicht auch verschiedene Reihen der Komponenten, siehe die Bezugszeichen 70, 71 und 72 in der Figur 8 oder sogar eine Reihe oder Reihen von Vielfachfaserkomponenten, wie durch die Bezugszeichen 80 und 81 in der Figur 9.gezeigt, anstelle der Anordnung 12, siehe die Figur 1, angewandt werden könnten. Somit würde jede Reihe verschiedene Wellenlängen von irgend-

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einem gegebenen Punkt in dem Objektfeld aufnehmen und denselben zu dem Auslaßende der Anordnung transportieren. Sodann, würden alle diese verschiedenen Wellenlängen durch die zweite Lxchtubertragungs- und Linsenanordnung in der Abbildungsebene des optischen Systems, wie weiter oben beschrieben, in Form einer achromatischen zweidimensionalen Abbildung kombiniert. Tatsächlich kann bei Anwenden verschiedener . Schichten oder Reihen der faseroptischen Komponenten die Achromatisierung der Abbildung besser sein als wie sie bei Anwenden einer einzigen Schicht erhalten wird.

Erfindungsgemäß wird eine verläßliche und praktische Art der Übertragung eines achromatischen Bildes durch eine Faseran-^ Ordnung kleinstmöglicher Größe offenbart»

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Claims

Patentansprüche

Optisches System für die Übertragung eines zweidimensionalen, achromatischen, optischen Bildes,von einem Objektfeld zu einem Abbildungsfeld, dadurch gekennzeichnet, daß erste und zweite Lichtübertragungssysteme (16, 20), sowie eine optische Faseranordnung (12) vorliegt, die zwischen den Lichtübertragungssystemen (16, 20) angeordnet und hierzu optisch ausgerichtet ist, wobei die Anordnung (12) eine relativ große Anzahl kohärent angeordneter optischer Fasern (14) aufweist und eine querseitige Abmessung besitzt, die wesentlich kleiner als die querseitige Abmessung des Objektfeldes ist, sowie das erste Lichtübertragungssystem (16) eine Linsenanordnung (22) aufweist, die auf das Objektfeld fokussiert ist und deren konjugierter Brennpunkt im wesentlichen in einer Ebene liegt, die die Eingangsfläche (14) der Anordnung aufweist, sowie eine Beugungsanordnung (25) eine Mehrzahl an Ordnungen überlappender Wellenlängen ausbildet, die Anordnung optisch so ausgerichtet ist, daß wenigstens drei spezielle der überlappenden Wellenlängen für jeden Punkt des optischen Bildes übertragen werden, sowie das zweite Lichtübertragungssystem (20)auf die Ausgangsfläche der Anordnung (12) fokussiert ist und eine Beugungsanordnung (36) aufweist, die so ausgerichtet ist, daß jede der überlappenden Wellenlängen in die Mehrzahl der entsprechenden Ordnungen angeordnet wird, wodurch eine praktisch achromatische optische Abbildung in dem Abbildungsfeld ausgebildet wird.
2. Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Anordnung durch das Vorliegen von Einzelfasern (14a, 14b, 14c) in einem Seite-an-Seite Verhältnis dergestalt gebildet wird, daß an den Eingangs- und Ausgangsflächen (18) im wesentlichen eine Linienform ausgebildet wird. ,

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3. Optisches System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Anordnung durch eine Mehrzahl an Schichten aus optischen Fasern gebildet wird, die so aneinanderstoßend vorliegen, daß rechtwinklige Formen an den Eingangs- und Ausgangsflächen (14, 18) gebildet werden.
4. Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Anordnung durch eine Mehrzahl an Mehrfachfasern (70, 71, 72) gebildet wird, die in einem Seite-an-Seite Verhältnis so vorliegen, daß praktisch rechtwinklige Formen an den Eingangs- und Ausgangsflächen (14, 18) gebildet werden.
5. Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Lichtübertragungsanordnung (16, 20) Prismen mit einem ausgewählten Ablenkungswinkel dergestalt aufweisen, daß ein praktisch ausgerichtetes optisches System gebildet wird.
6. Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Anordnung wenigstens fünf spezielle überlappende Wellenlängen für jeden Bildpunkt überträgt.
7. Optisches System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Beugungsanordnungen sogenannte geblazed Beugungsgitter (25, 36) dergestalt sind, daß des» in den übertragenen überlappenden Wellenlängen enthaltene Lichtbetrag vergrößert wird.
8. Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Beugungsanordnung (25, 36) Beugungsgitter mit Abständen von wenigstens angenähert 8,25 Mikron aufweist.
9. Optisches System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine optisch ausgerichtete Linsenanordnung vorliegt für die scheinbare Vergrößerung des Objektfeldes des Systems.

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10. Optisches System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Linsenanordnung erste und zweite Linsen aufweist, die auf das Objektfeld fokussiert sind und ein konjugierter Brennpunkt an der Eingangsfläche vorliegt,. sowie die zweite Lichtübertragungsanordnung eine erste und zweite Linse besitzt, die an der Ausgangsfläche fokussiert ist und einen konjugierten Brennpunkt in dem Abbildungsfeld besitzt.

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