DE2322652C2

DE2322652C2 - Optisches System zur Übertragung zweidimensionaler Bilder

Info

Publication number: DE2322652C2
Application number: DE2322652A
Authority: DE
Inventors: Charles John Sudbury Mass. Koester
Original assignee: Warner Lambert Technologies Inc Dallas Tex; Warner Lambert Technologies Inc
Current assignee: Warner Lambert Technologies Inc
Priority date: 1972-06-06
Filing date: 1973-05-03
Publication date: 1984-09-13
Also published as: GB1417466A; DE2322652A1; JPS4963448A; US3758188A; JPS568325B2

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches System zur Übertragung zweidimensionaier Bilder mit einem ersten und einem zweiten Lichtübertragungssystem, die jeweils eine Vorrichtung zur Spektralzerlegung des Lichts und eine Linsenanordnung enthalten, wobei die Linsenanordnung des ersten Lichtübertragungssystems auf ein Objektfeld fokussiert ist, und sein konjugierter Bildpunkt im wesentlichen in einer Ebene liegt, welche die Eingangsfläche einer faseroptischen Anordnung festlegt, die eine Reihe von optischen Fasern enthält, und deren Abmessung quer zur Längsausdebnung der Anordnung wesentlich kleiner ist als die Querausdehnung des Objektfeldes, und wobei die Linsenanordnung des zweiten Lichtübertragungssystems auf die Ausgangsfläche der faseroptischen

W) Anordnung fokussiert ist und in dem Bildfeld eine zweidimensionale Abbildung des Objektfeldes erzeugt.

Ein derartiges optisches System ist in der US-PS 34 71 214 beschrieben. Die durch dieses optische System übertragenen zweidimensionalen Bilder sind nicht achromatisch bzw. entsprechend dem Gegenstand gefärbt. Sie werden vielmehr durch eine Dispersion von Spektralfarben wiedergegeben. Dies bedeutet, daß beispielsweise Wörter einer in üblicher Weise schwarz auf weiß bedruckten Seite bei einem derartig übertragenen Bild als

h5 dunkle Buchstaben auf einem unterschiedlich farbigen Hintergrund erscheinen.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das eingangs beschriebene optische System dahingehend zu verbessern, daß mit ihm zweidinicnsionale optische Bilder von einer Stelle zur anderen mittels einer einzigen Reihe von optischen Fasern derart übertragen werden können, daß ein achromatisches, d. h. der

Vorlage farbmäßig entsprechendes Bild entsteht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Spektralzerlegung in dem ersten und zweiten Lichtübertragungssystem je ein Beugungsgitter verwendet ist und daß die Beugungsgitter und die Unsenanordnungen so ausgerichtet und die Gitterkonstanie der Beugungsgitter so gewählt sind, daß sich für jeden Objektpunkt auf einer quer zur Längsausdehnuug der faseroptischen Anordnung durch je eine der optischen Fasern verlaufende Linie innerhalb eines vorgegebenen Winkelbereichs zumindest drei Beugungsordnungen zumindest dreier verschiedener Wellenlängen im Bereich der optischen Fasern auf der Eingangsfläche überlagern, so daß im Bildfeld jeder Punkt durch Licht zumindest dreier verschiedener, in unterschiedlichen Beugungsordnungen abgebeugter Wellenlängen achromatisch reproduziert wird. Bei der einfachsten Ausführungsform ist die faseroptische Anordnung von seitlich nebeneinander angebrachten einzelnen optischen Fasern gebildet Bei Verwendung von kdiglich einer derartigen einzigen Schicht oder allenfalls einigen wenigen benachbarten Schichten von Fasern ergibt sich für das Gesamtsystem auch ein wesentlich verringertes Gewicht und ein günstigerer Herstellungspreis.

In bestimmten Fällen, insbesondere dort, wo der Raum begrenzt oder das Gewicht einen wichtigen Überlegungsfaktor darstellt, kann diese Übertragung zweidimensionaler farbiger Bilder von einer zu einer anderen Stelle mittels einer einzigen folienartigen Schicht aus vielen kleinen langen optischen Fasern anstelle eines herkömmlichen Bildübertragungsbündels aus optischen Fasern einen wesentlichen Vorteil darstellen. Hierbei ist es z. B. möglich, gute optische Bilder durch eine einzige folienartige Schicht aus tausend optischen Fasern zu übertragen, wozu bei einer herkömmlichen Übertragung ein quadratisches Faseroptikbündel mit tausend optischen Fasern auf jeder Seite, d. h. mit einer Million Einzelfasern benötigt würde, wobei alle diese Fasern an den gegenüberliegenden Enden des Bündels entsprechend angeordnet sein müßten, um die Kohärenz aufrecht zu erhalten.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die faseroptische Anordnung durch eine Mehrzahl von Schichten aus optischen Fasern oder eine Mehrzahl von optischen Mehrfachfasern gebildet, die so aneinander anliegen, daß gleiche, vorzugsweise rechtwinklige Strukturen in den Eingangs- und Ausgangsflächen entstehen. Dies bewirkt eine größere Kapazität für das System bezüglich der Sammlung des Lichtflusses und der Übertragung sowie eine verbesserte Auflösung und Achromatisierung in der Abbildung.

Als Beugungsgitter wird gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung mit Vorteil ein Transmissionsgitter verwendet. Zweckmäßigerweise werden in der ersten und/oder der zweiten Lichtübertragungsanordnung zusätzlich zu den Transmissionsgittern Prismen zur Spektralzerlegung vorgesehen, deren Ablenkwinkel dergestalt gewählt sind, daß ein praktisch geradliniges optisches System gebildet wird.

In alternativer Ausgestaltung werden als Beugungsgitter Reflektionsgitter verwendet, bei denen zweckmäßigerweise die Furchen in an sich bekannter Weise so ausgebildet sind, daß der in den übertragenen sich überlappenden Wellenlängen enthaltene Lichtbetrag vergrößert wird.

Für eine gute Farbübertragung ist es besonders günstig, wenn für jeden Bildpunkt zumindest fünf diskrete sich überlagernde Wellenlängen übertragen werden. Bei den Beugungsgittern hat sich die Auswahl einer Gitterkonstante von wenigstens annähernd 8,25 μπι als zweckmäßig erwiesen. Für eine scheinbare Vergrößerung des Objektfeldes v.-ird zweckmäßigerweise eine optisch ausgerichtete Linsenanordnung, vorzugsweise ein Teleskop, vorgesehen. Es ist des weiteren günstig, wenn die Beugungsgitter und gegebenenfalls Prismen im parallelen Strahlengang zwischen den Linsen angebracht sind.

Die Zeichnungen dienen der weiteren Erläuterung der Erfindung.

F i g. 1 zeigt in schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen optischen Systems;

Fig.2 zeigt eine vergrößerte Querschnittsansicht längs der Linie 2-2 von Fig. 1 mil Blick in Richtung der angegebenen Pfeile;

Fig.3 zeigt eine vergrößerte Querschnittsansichl längs der Linie 3-J von Fig. 1 mil Blick in Richtung der angegebenen Pfeile;

Fig.4 zeigt eine vergrößerte Querschnittsansicht längs der Linie 4-4 von Fig. I mit Blick in Richtung der angegebenen Pfeile;

F i g. 5 zeigt einen vergrößert aufgebrochenen Längsschnitt von einer Kombination aus einem Beugungsgitter und einer Linse, die bei dem optischen System bei der F i g. 1 anwendbar ist;

Fig.6 zeigt eine Schemazeichnung zwecks Erläuterung der Wirkungsweise des erfindungsgemäßen optischen Systems;

F i g. 7 zeigt eine schematische Darstellung von einem Teil des in F i g. 1 dargestellten optischen Systems:

F i g. 8 und 9 zeigen in perspektivischer Darstellung Varianten der bei dem optischen System abgewandelter Bauart der F i g. 1 verwendeten faseroptischen Anordnung.

Ein optisches System für die Übertragung zweidimensionaler, achromatischer oder praktisch achromatischer optischer Bilder von einer ersten zu einer zweiten im Abstand hiervon vorliegenden Stelle ist in F i g. 1 schematisch dargestellt und mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet. Dieses optische System 10 weist eine faseroptische Anordnung 12 und ein Paar Lichtübertragungssysteme 16 und 20 auf, die in geeigneten Arbeitsabständen hierzu angeordnet sind. bo

Die faseroptische Anordnung 12, die eine geeignete vorherbestimmte Länge aufweist, ist in dem System so angeordnet, daß ihre Eingangsendfläche 14 optisch ausgerichtet zu dem ersten Lichtübertragungssystem 16 und ihrem Ausgangsende 18 optisch ausgerichtet mit dem zweiten jnd allgemein ähnlich aufgebauten Lichtübertragungssystem 20 ist.

Das erste Lichtübertragungssystem 16 enthält längs der optischen Achse 17 eine Linse 22, ein Beugungsgitter b5 25 und eine Linse 26. Das Beugungsgitter 25 bewirkt eine Dispersion des Lichts in mehrfache Beugungsordnungen in der Ebene des auf das Gitter auffallenden Lichts.

In entsprechender Weise, jedoch in umgekehrter Reihenfolge angeordnet, enthält das zweite Lichtübertra-

gungssystem 20 längs der optischen Achse 21 aufeinanderfolgend eine Linse 35, ein Beugungsgitter 36 und eine weitere Linse 34.

Das Beugungsgitter 36 bewirkt eine Dispersion des Lichts in der Zeichenebene.

Die Linsen 22 und 26 sind, wie durch Lichtstrahlen 37 angezeigt, so angeordnet, daß die Strahlen von einer Objektebene 38 auf eine Bildebene 44 scharf abgebildet werden. Das Objekt 40 kann z. B. von einem Diapositiv gebildet sein. Die Bildebene 44 liegt am Einlaßende 14 der faseroptischen Anordnung 12 und ist koplanar zu deren Eingangsfläche. Die Objektebene 38 kann durch weißes Licht beleuchtet werden.

Die Linsen 34 und 35 des Lichtübertragungssystems 20 sind in entsprechender Weise so angeordnet, daß, wie durch Lichtstrahlen 46 angedeutet, die von einer Objektebene 48 ausgehenden Strahlen in eine Bildebene 50 ίο scharf abgebildet werden. Die Objektebene 48 verläuft koplanar zu der Ausgangsfläche am Ausgangsende 18 der faseroptischen Anordnung 12. Ein Betrachtungsschirm 52 oder dergleichen kann in der Bildebene 50 angeordnet sein für den Empfang der von der Anordnung 12 austretenden Lichtstrahlen und Wiedergabe der hierdurch übertragenen Abbildung.

Undurchsichtige Platten 54 bzw. 56 halten die gegenüberliegenden Enden der faseroptischen Anordnung 12 !5 geeignet ausgerichtet zu den Bildübertragungssystemen 16 bzw. 20 und praktisch rechtwinklig zu der Ebene des auf die Beugungsgitter 25 bzw. 36 auffallenden Lichts.

Die faseroptische Anordnung 12 kann eine große Zahl ähnlicher dünner, langer lichtleitender Fasern herkömmlicher Art aufweisen. Diese sind zumindest in Nachbarschaft des Eingangs- und Ausgangsendes seitlich nebeneinander und parallel zueinander angeordnet, so daß eine einzige lange folienartige Schicht gebildet wird. Die einzelnen lichtleitenden Fasern bestehen aus einem dünnen, langen transparenten Kern aus Glas oder Kunststoff mit einem vorherbestimmten Brechungsindex, der über seine gesamte Länge mit einer dünnen transparenten Umkleidung aus Glas oder Kunststoff mit einem niedrigeren vorherbestimmten Brechungsindex umgeben ist, so daß es im Innern desselben zu einer Totalreflexion kommt.

In F i g. 2 ist ein Diapositiv oder dergleichen 40 gezeigt, das ein zweidimensionales Bild aufweist, welches in seiner vollen Farbe durch das optische System übertragen werden soll. Es sei dabei angenommen, daß dieses Bild in Form des dargestellten Paars gekreuzter Pfeile BACund DAEvorliegt. Jeder Pfeil kann eine unterschiedliche Farbe aufweisen, wobei beide auch noch gegenüber dem Hintergrund unterschiedlich gefärbt sind.

Die Fig.4 zeigt die zweidimensionale achromatische Abbildung des Gegenstandes 40, welche durch das optische System 10 in der Bildebene 50 auf dem Betrachtungsschirm 52 erzeugt worden ist.

Die F i g. 3 zeigt die undurchsichtige Platte 54, in der das Eingangsende 14 der aus einer einzigen folienartigen Schicht gebildeten faseroptischen Anordnung 12 gehalten ist. Zwecks vereinfachter Darstellung ist jedoch die Zahl der Einzelfasern wesentlich verringert und der Durchmesser jeder Faser erheblich vergrößert wiedergegeben. In der F i g. 3 ist die linkeste Faser durch 14a, die mittlere Faser durch Hb und die rechte Faser durch 14c wiedergegeben. In der Praxis jedoch würden die Anzahl der pro Zentimeter angebrachten Fasern außerordentlieh groß und die Durchmesser derselben in entsprechender Weise klein sein, um die angestrebte Auflösung des übertragenen Bildes zu erreichen.

Das Beugungsgitter 25 bzw. 36 kann ein Transmissionsgitter oder ein Reflexionsgitter sein.
Eine dritte Möglichkeit besteht in der Kombination eines Transmissionsgitters mit einem Prisma, die in entsprechender Weise zueinander ausgerichtet und orientiert sind. Im zuletztgenannten Fall sind diese Bauelemente so angeordnet, daß die Streuung durch das Prisma und das Gitter in praktisch dergleichen querseitigen Ebene erfolgt, und zwar in der Einfaliebenc des Prismas.

Wie anhand der F i g. 5 gezeigt, ist das Beugungsgitter 25 mit seinen parallelen Schlitzen oder Ausnehmungen

praktisch senkrecht zu der Zeichnungsebene angeordnet, und das hierdurch angebeugte Licht verläuft praktisch parallel zu der Zeichnungsebene. Das Beugungsgitter 25 weist einen geeigneten vorherbestimmten Gitterab-

■15 stand auf, der durch die Entfernung S zwischen benachbarten parallelen Schlitzen oder Ausnehmungen 25a und 25έ> in der Platte 25cfestgelegt ist.

Zwecks Erläuterung des Prinzips, auf dessen Grundlage das erfindungsgemäße optische System arbeitet, werden im folgenden zunächst die Grundzüge eines einfacheren optischen Systems erläutert, bei dem zur Herstellung von Abbildungen lediglich eine von dem Beugungsgitter ausgehende Beugungsordnung verwendet ist.

Dieses Prinzip ist das gleiche «ic nach der eingangs erwähnten US-PS 34 71 214, bei der jedoch anstelle von Beugungsgittern Prismen verwendet sind. Von jedem Punkt in dem Gegenstand wird eine spezielle Wellenlänge des Lichts durch das Gitter abgelenkt und durch die Linse auf das Einlaßende der Faser abgebildet Bezüglich der in der F i g. 1 gezeigten Konfiguration würden längere Wellenlängen von dem unteren Teil des Objekts 38 durch das Beugungsgitter 25 so abgelenkt, daß dieselben auf das Eingangsende 14 der faseroptischen Anordnung 12 auffallen. Somit empfängt eine gegebene Faser von jedem Punkt auf einer Linie in dem Objekt, die parallel zu der Linie CB verläuft. Licht mit einer speziellen Wellenlänge. Eine benachbarte Faser empfängt von Punkten auf einer benachbarten Linie im Objekt ebenfalls Licht mit jeweils einer speziellen Wellenlänge.

Die von einem Objektpunkt ausgehenden Lichtstrahlen werden daher in der Brennebene des Lichtübertrabo gungssystems 16 nicht zu einem einzigen Lichtpunkt vereinigt, sondern in Beugungsspektren aufgelöst entsprechend der Art des von dem Objekt 38 jeweils empfangenen Lichts. Somit tritt nur ein Teil des von einem Punkt ausgehenden Lichts in die Faser 14/> ein. In entsprechender Weise führt jeder andere beleuchtete Punkt in dem Objekt 40, der in der gleichen Ebene liegt, in der die Beugung erfolgt, zu einem spektrallinienartigen Bild in der Bildebene 44, wobei eine mittlere konjugierte Stelle dieses Bildes der Lage des Punktes im Objekt entspricht
b5 Dies bedeutet, daß sich die in Beugungsspektren aufgelösten Bilder verschiedener Objekipunkte in der gleichen Beugungsebene verschiedentlich überlappen, so daß Licht von verschiedenen Punkten und mit unterschiedlichen Wellenlängen in die Faser 14a eintritt Da die faseroptische Anordnung aus einer waagerecht angeordneten Reihe von Einzelfasern 14a, 14/j, Hebesteht, deren Eingangsenden in der Bildebene 44 liegen, wird Licht von

allen anderen seitlich hierzu gelegenen Punkten in dem Objekt 40 in ähnlicher Weise senkrecht ^u der faseroptischen Anordnung abgebeugt und führt zu Beiigungsspektren in der Bildebene 44. wobei ein Teil dieses Lichts von jedem seitlich gelegenen Punkt in eine entsprechende Faser eintritt. l!s einsteht soinii eine Vielfaehabbildung von allen Punkten des Objekts in die Bildebene 44, wobei ein Bruchteil dieses gebeugten 1 .ichts von jedem Objektpunkl durch eine entsprechende Faser der schichtlörmigen faseroptischen Anordnung 12 übertragen > wird.

Ein umgekehrter Vorgang entsteht an dem Ausgangsende 18 der faseroptischen Anordnung 12. wenn das aus dieser austretende Licht durch das zweite Lichtübertragungssystem 20 hindurchiriit. so daß in der Bildebene 54 ein zweidimensionales Bild entsteht, das eine ähnliche Größe und Form aufweist wie das Objekt und das durch die Pfeile EVt'C und D'A'E' in der Fig.4 angedeutet ist. Das Bild erscheint jedoch als Kombination von ίο Spektralfarben.

Ein hierzu unterschiedliches Ergebnis erhält man erfindungsgemäß, wenn die Beugungsgitter 25 und 34 einen derartigen Gitterabstand S aufweisen, daß in unterschiedlichen Beugungsordnungen abgebeugtes Licht in die faseroptische Anordnung 12 eintreten kann. In diesem Fall kann eine achromatische oder praktisch achromatische Abbildung des Gegenstandes in der Bildebene des Systems ausgebildet werden. Es wird Licht von dem π Objekt durch das Beugungsgitter 25 derart abgebeugt, daß mehrere unterschiedliche Beugungsordnungen dieses Lichts sich in der Bildebene 44 überlappen. Somit tritt Licht unterschiedlicher Beugungsordnungen und unterschiedlicher Wellenlänge in die Fasern am Eingangscndc- J4 ein.

F i g. 6 zeigt schematisch die axiale Faser 14i>, die durch die Platte 54 in der Brennebene 44 des ersten Lichtübertragungssystems 16 gehalten ist, sowie Licht dreier unterschiedlicher Beugungsordniingen, bezeichnet :o mit (n), (n + 1) und (n + 2), das sich dem Eingangsende der Faser 14£> nähert und unterschiedliche Lagen zu diesem einnimmt. Das abgebeugte Licht der (n^en Ordnung wird durch die im Abstand voneinander gezeichneten, als orange und rot beschrifteten Pfeile und eine diese verbindende Wellenlinie wiedergegeben, die den Spektralbereich zwischen diesen Farben andeutet. Das abgebeugte Licht der (n + l)ten Ordnung wird durch die im Abstand voneinander gezeichneten, mit grün und orange beschrifteten Pfeile und eine diese verbindende Wellenlinie wiedergegeben, die den Spektralbereich zwischen diesen Farben andeutet. Das abgebeugte Licht der (n + 2)ten Ordnung wird durch die im Abstand voneinander gezeichneten, als blau und grün beschrifteten Pfeile und eine diese verbindende Wellenlinie wiedergegeben, welche den Wcllenlängenbercich zwischen diesen Farben andeuten soll. Es tritt daher Licht von einem ausgewählten Objektpunkl mit drei verschiedenen Wellenlängen, und zwar rot-orange, gelb und blau-grün, in die Faser (4i> ein. Von weiteren, vertikal davon beabstande- jo ten beleuchteten Objektpunkten, wie den Punkten B und C von F i g. 2. tritt in ähnlicher Weise Licht nach dem Durchtritt durch das Beugungsgitter 25 mit unterschiedlichen Wellenlängen in jeder der verschiedenen Beugungsordnungen in die Faser 146 ein.

Wenn dieses Licht unterschiedlicher Wellenlängen und mit unterschiedlichen Beugungsordnungen aus dem Ausgangsende der Faser 14b austritt, wird es in umgekehrter Weise durch das zweite Beugungsgitter 36 abgebeugt und durch die Linse 34 fokussiert. Wenn dies eintritt, wird die rot-orange Strahlung der (n) ten Ordnung des ersten ausgewählten Punktes um den gleichen Betrag abgelenkt wie die gelbe Strahlung der (n + l)ten Ordnung und die blau-grüne Strahlung der (n + 2)ten Ordnung von dem gleichen Punkt. Diese Lichtanteile werden auch an einem Punkt in dem Bild vereinigt, der dem Objektpunkt entspricht. Die gleichen Wellenlängen können daneben auch in anderen Beugungsordnungen des abgebeugten Lichts auftreten, welche jedoch wesentlich außeraxial liegen und durch eine Biidfcldblcnde 5i oder dergleichen ausgeblendet werden.

Es fallen daher diese drei Wellenlängen zusammen und bilden gemeinsam in der Bildebene 50 gemäß F i g. 4 ein mehr oder weniger achromatisches Bild des ausgewählten Objektpunkts. In ähnlicher Weise werden andere im senkrechten Abstand liegende Bildpunkte, wie die Punkte B' und C. erzeugt. Gleiches gilt für jede weitere Faser in der folienartigen faseroptischen Anordnung 12, so daß insgesamt ein vollständiges zweidimensionales Bild übertragen wird. Wenn eine stärker achromatische Abbildung gewünscht wird, als sie durch die drei verschiedenen Wellenlängen der unterschiedlichen Ordnung, wie vorstehend erläutert, erzeugt werden kann, läßt sich ein Beugungsgitter mit einer größeren Gitterkonstantc verwenden, wodurch sich eine erhöhte Überlappung der Beugungsordnungen ergibt.

Um ein erfindungsgemäß achromatische Abbildungen ermöglichendes optisches System zu erhalten, sind folgende Faktoren zu berücksichtigen:

1. die Anzahl m der sich überlappenden Beugungsordnungen, die für das Ausbilden der Achromatisierung gewünscht wird;

2. der gewünschte Winkelbereich AL

Unter Bezugnahme auf F i g. 7 sind hierfür die folgenden beeinflußbaren Konstruktionsparameter maßgeblich:

Der Gitterabstand Sund der Einfallswinkel i, mit dem das Licht auf das Beugungsgitter auf trifft.

Zur Ableitung einer Beziehung zwischen den obigen Größen wird ausgegangen von der grundlegenden oo Gittergleichung

/^ = S sin/ (1).

wobei π die Ordnungszahl und λ die Wellenlänge bedeuten. _h5

In der Gleichung (1) ist angenommen, daß der Beugungswinkcl, mil dem das Licht das Beugungsgitter 25

verläßt, sich auf Null beläuft.

Mit A\ und Λ2 seien die kleinste und die größte Wellenlänge bezeichnet, zwischen denen die Achromatisierung

der Abbildung angestrebt wird. An jedem Punkt in der Abbildung werden /77 Wellenlängen aus dem Spektralgebiet zwischen A\ und Ai überlagert. Die Ordnungszahlen für die Wellenlängen A\ und A^ werden aus der Gleichung (1) wie folgt erhalten:

n, = -^- S sin i (2)

n₂ = —— S sin / (3)

*2

Die Anzahl /77 der überlappenden Beugungsordnungcn ergibt sich in einfacher Weise zu

/w = /I₁ - n₂ = (— - — ) S sin ι (4)

Es ist zu beachten, daß die Ordnungszahlen Πι und /i>, wie sie anhand der Gleichungen (2) und (3) erhalten werden, nicht ganzzahligc Werte zu sein brauchen. Dies bedeute!, daß die spezifischen Wellenlängen A\ und Ai an. dem betreffenden Bildpunkt nicht vorzuliegen brauchen. Anhand der Gleichung (4) ergibt sich, daß die Zahl m der überlappenden Ordnungen nicht notwendigerweise ein ganzzahligcr Wert zu sein braucht.

Der Winkelbereich Ai kann ebenfalls von der grundlegenden Gittcrglcichung abgeleitet werden. Innerhalb des Gesichtsfeldes muß jede Wellenlänge lediglich in einer Bcugungsordnung auftreten.

Wenn eine gegebene Wellenlänge an zwei verschiedenen Bildpunkten (von zwei Ordnungen) auftreten sollte, würde dies bedeuten, daß zwei verschiedene Objektpunkte dem gleichen Bildpunkt Licht beisteuern könnten. In diesem Fall ergäbe sich ein Überlappen bzw. ein Verwischen im Bild. Dieses Überlappen der Ordnungen tritt mit größter Wahrscheinlichkeit andern kurzwelligen Ende des Bildes auf, d. h. für kleinere Werte von /.

Es sei angenommen, daß A-, die kürzeste Wellenlänge ist, auf die ein Detektor noch anspricht (wenn das Spektrum des zur Verfügung stehenden Lichts die Begrenzung liefert, sei A_:, die kürzeste in dem Beleuchtungslicht vorliegende Wellenlänge). Es sei folgende noch spezifischere Definition gegeben: A., sei die Wellenlänge, jo oberhalb derer es nicht zweckmäßig ist, zwei verschiedene Ordnungen in dem gleichen Gesichtsfeld zu haben. F⁷Ur das Auge kann man A-, = 450 um annehmen, da bei dieser Wellenlänge die Empfindlichkeit des Auges auf || etwa 3% der maximalen Empfindlichkeit abgenommen hat. l'ür die Wellenlänge A,, belaufen sich die Gitterglei-

■Ö chungen für zwei aufeinanderfolgende Ordnungen /)., und /7., + 1 auf

J5 n-,A., = S sin /., (5)

(n, + I)A, = S sin ft, + Ji) (6)

I* Die Winkel /-, und /., + .4/ sind die Grenzwerte des Gesiehtsleldcs. Löst man die Gleichung (6) nach Ai auf, so

g 40 erhält man

S| 45 bzw.

_Al = sin

j*f -,o Hieraus folgt anhand der Gleichung (5):

: Ai = sin"' —2——2- - sin"' /-j\

Die Gleichungen (4) und (7) geben das Verhältnis zwischen den angestrebten Werten von m und Ai und den einer Beeinflussung zugänglichen Parametern S und ; wieder (die Ordnungszahl n_a wird anhand der Gleichung (5) bestimmt). Die Gleichung (7) ist transzendent, d. h. man kann sie nicht direkt nach SaIs Funktion von Ai, n_a und Aa auflösen.

Es werden daher zur Erläuterung ein Wert für m und verschiedene Werte für den Gitterabstand Saufgenombo men und mit diesen Werten die Gleichungen für Aigelöst. Die folgende Tabelle ergibt die berechneten Werte für den Fall m = 4,4, A\ = 486 nm, Ai — 656 nm,A_:, — 450 nm.

Zeile 1: Die Gitterabstände Ssind angenommene Werte.

Zeile 2: Sin /wird anhand der Gleichung (4) berechnet. Der Winke! /läßt sich deuten als der Winkel, bei dem die hi angestrebte Zahl der überlappenden Ordnungen vorliegen wird. Bei größeren Winkeln werden mehr

überlappende Ordnungen vorliegen.
Zeile 3: Berechnet aus Zeile 2.
Zeile -t: /7., wiitl nach der Gleichung (^r>) erhallen. Man berechnet die Ordnungszahl /7., für die Wellenlänge /., bei

einem Winkel /,,. Um das Erfordernis für in überkippende Ordnungen /u erfüllen, muli der Winkel /., gleich dem in /eile 3 berechneten Winkel /sein.
Zeile 5: Λ wird anhand der Gleichung (7) berechnet.

Tabelle

Zeile 1:	S	ΙΟμηι	13,3μιιι	33,3 μηι	50 μηι	100 um
Zeile 2:	sin / =	0,825	0,619	0.245	0.165	0.0825
Zeile 3:	/ =	55.5"	38,2"	η.:	ν>.5·"	4.73"
Zeile 4:	n, =	18,3	18,3	18.3	18.3	18.3
Zeile 5:	Δ, =	4,8"	2.4"	0,8"	0.5"	0,26"

Wenn auch die obigen Winkelbereiche den kleinsten Giuerabsiand (S = ΙΟμιη) zu begünstigen scheinen, muß doch ein weiterer wichtiger Faktor berücksichtigt werden. l£s ist dies die Menge des Lichts, das in die gewünschte Richtung abgebeugt wird. Auf dem Gebiet der Gitterlcchnologie ist das Verfahren zum Erzielen π einer hohen Intensität bei großen Beugungswinkeln unter dem Begriff des »Blaze« (Bereich maximaler Intensität) bekannt. Deshalb steht die Auswahl der Gitterkonsiantcn 5 im engen Zusammenhang mit dem sog. Winkel maximaler Intensität, der bei dem speziellen Beugungsgitter erhalten werden kann. Allgemein lassen sich kleine Winkel maximaler Intensität leichter erzielen, insbesondere bei Transmissionsgitlern. Für größere Gitterkonstanten, z. B. 5 = 50 μπι, sind die Einfallswinkel kleiner, und deshalb kann ein relativ kleiner Winkel maximaler Intensität angewandt werden. Dies begünstigt größere Gitterkonstanten bei Transmissionsgittern.

Bei Reflexionsgittern können durch die Echeleitc-Bauwcisc beliebige Winkel maximaler Intensität gewählt werden, so daß hier kleinere Gitterkonstanlen günstig sind.

Die angegebenen kleinen Winkelbereiche begrenzen nicht notwendigerweise das der Betrachtung zugängliche Objektfeld, da z. B. vor dem Beugungsgitter ein Teleskop mit einer Vergrößerung von unter Eins angebracht werden kann. So vergrößert z. B. ein Teleskop mit '/m Vergrößerung das mit einer Gitterkonstanten von 33,3 μιη erhaltene Gesichtsfeld von 0,8° auf 8°. Ein ähnliches Teleskop würde auch an dem Austrittscnde der faseroptischen Anordnung erforderlich sein.

Die obigen Erläuterungen bezogen sich im wesentlichen auf eine einzige Reihe von optischen Fasern. Das schließt jedoch nicht aus. verschiedene Reihen von Fasern 70, 71 und 72 gemäß F i g. 8 oder sogar eine Reihe jo bzw. Reihen von Vielfachfasern 80 und 84 gemäß F i g. 9 anstelle der faseroptischen Anordnung 12 von F i g. 1 zu verwenden. Auf diese Weise würde jede Reihe verschiedene Wellenlängen von irgendeinem gegebenen Punkt in dem Objektfeld aufnehmen und zu dem Austrittsende der Anordnung transportieren. Sodann würden alle diese verschiedenen Wellenlängen durch die zweite Lichtübertragungs- und Linsenanordnung in der Abbildungsebene des optischen Systems, wie weiter oben beschrieben, in Form einer achromatischen /weidimensionalen Abbildung kombiniert. Bei Anwenden verschiedener Schichten oder Reihen von optischen Fasern kann die Aromatisierung der Abbildung im Vergleich zu der Verwendung lediglich einer einzigen Schicht verbessert werden.

Es versteht sich natürlich, daß die einzelne Schicht der optischen Fasern in dem vorbeschriebenen optischen System jede geeignete Länge aufweisen kann. Es versteht sich weiterhin, daß die Querschnittsgröße der einzelnen Fasern einer derartigen Schicht entsprechende Abmessungen aufweisen kann. Die Größe muß jedoch selbstverständlich in Übereinstimmung mit der speziell vorgesehenen Anwendung des optischen Systems und der relativen Größe des kleinsten zu übertragenen Details stehen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Optisches System zur Übertragung zweidimensionaler Bilder mit einem ersten und einem zweiten Lichtübertragungssystem (16,20), die jeweils eine Verrichtung (25; 36) zur Spektralzerlegung des Lichts und

eine Linsenanordnung (22,26; 35,34) enthalten, wobei die L.'nsenanordnung des ersten Lichtübertragungssystems auf ein Objektfeld (40) fokussiert ist und sein konjugierter Bildpunkt im wesentlichen in einer Ebene (44) liegt, welche die Eingangsfläche einer faseroptischen Anordnung (12) festlegt die eine Reihe von optischen Fasern (14a, 14Zj, Hc) enthält, und deren Abmessung quer zur Längsausdehnung der Anordnung (12) wesentlich kleiner ist als die Querausdehnung des Objektfeldes (38), und wobei die Linsenanordnung (35,

ίο 34) des zweiten Lichtübertragungssystems (20) auf die Ausgangsfläche der faseroptischen Anordnung (12) fokussiert ist und in dem Bildfeld (50) eine zweidimensional Abbildung des Objektfeldes (38) erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß zur Spcktralzcrlegung in dem ersten und zweiten Lichtübertragungssystem (16,20) je ein Beugungsgitter (25; 36) verwendet ist, und daß die Beugungsgitter (25; 36) und die Linsenanordnungen (22,26; 35,36) so ausgerichtet und die Gitterkonstante (S)der Beugungsgitter (25; 36) so

gewählt sind, daß sich für jeden Objektpunkt auf einer quer zur Längsausdehnung der faseroptischen Anordnung (12) durch je eine der optischen Fasern verlaufende Linie innerhalb eines vorgegebenen Winkelbereichs (Ji) zumindest drei Beugungsordnurtgen zumindest dreier verschiedener Wellenlängen im Bereich der optischen Fasern (14a, Hb. 14c...) auf der Eingangsfläche (54) überlagern, so daß im Bildfeld (50) jeder Punkt durch Licht zumindest dreier verschiedener, in unterschiedlichen Beugungsordnungen abgebeugter Wellenlängen achromatisch reproduziert wird.

2. Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die faseroptische Anordnung von seillich nebeneinander angebrachten einzelnen optischen Fasern (14a, 146,Hc)gebildet ist.

3. Optisches System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die faseroptische Anordnung (12) durch eine Mehrzahl von Schichten (70,71,72) aus optischen Fasern gebildet ist, die so aneinander anliegen, daß rechtwinklige Strukturen in den Eingangs- und Ausgangsflächen (54,56) gebildet sind.

4. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die faseroptische Anordnung (12) durch eine Mehrzahl von optischen Mehrfachfasern (80,81) gebildet ist.

5. Optisches System nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Beugungsgitter (25; 36) Transmissionsgitter verwendet sind.

6. Optisches System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der ersten und/oder der zweiter¹

Lichtübertragungsanordnung (16,20) zusätzlich zu den Transmissionsgittern Prismen zur Spektralzerlegung vorgesehen sind, deren Ablenkwinkel dergestalt gewählt sind, daß ein praktisch geradliniges optisches System gebildet wird.

7. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß als Beugungsgitter (25,36) Reflektionsgitter verwendet sind.

8. Optisches System nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Furchen der Beugungsgitter (25,36) in an sich bekannter Weise so ausgebildet sind, daß der in den übertragenen, sich überlappenden Wellenlängen enthaltene Lichtbetrag vergrößert wird.

9. Optisches System nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine derartige Auslegung der Bauelemente, daß für jeden Bildpunkt zumindest fünf diskrete, sich überlagernde Wellenlängen übertragen werden.

10. Optisches System nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Beugungsgitter (25,36) eine Gitterkonstante von wenigstens annähernd 8,25 μίτι aufweisen.

11. Optisches System nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine optisch ausgerichtete Linsenanordnung, vorzugsweise ein Teleskop, für eine scheinbare Vergrößerung des Objektfeldes.

12. Optisches Sysiem nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Beugungsgitter (25,36) und gegebenenfalls Prismen im parallelen Strahlengang zwischen den Linsen (22,26 bzw. 35,36) angebracht sind.