DE3013194C2 - Mit polychromatischem Licht arbeitendes Abbildungssystem - Google Patents
Mit polychromatischem Licht arbeitendes AbbildungssystemInfo
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Description
Ff S —.
25
2. Abbildungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Linsenrasteranordnung (110) aus einem 3"
Material mit einem vorgegebenen ersten Brechungsindex η ι besteht und bis^.a ihrer Brennebene
reicht, so daß ihre Biendcnzahl FL gleich f/tt\L ist;
daß die beugende Struktur (IO8) ζ jS einem Material
besteht, welches einen vorgegebenen zweiten Brechungsindex n2 hat, und daß die folgende Beziehung
erfüllt ist:
F1 =
d
KX
40
3. Abbildungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitterprofil S(x) ein
bestimmtes Rechteckwellenprofil mit einer vorgegebenen Tiefe a' und einem vorgegebenen
Aspektverhältnis b ist.
4. Abbildungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Strichabstand d mindestens
fünf Mikrometer ist, und daß das Aspektverhältnis im wesentlichen gleich 1 /2 ist, so daß das Gitterprofil
S(x) symmetrisch oder quadratisch ist.
5. Abbildungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Strichabstand </wesentlich
kleiner als fünf Mikrometer ist und daß das Aspektverhältnis b wesentlich kleiner als 1/2 ist.
6. Abbildungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß rf nicht größer als 1,5 Mikrometer
ist, daß λ etwa 0,5 Mikrometer beträgt, daß K gleich zwei ist und daß n, etwa 1,45 beträgt.
7. Abbildungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß d 1,4 Mikrometer ist, daß L im
Bereich von30 bis 50 Mikrometer liegt, daß K gleich zwei ist, daß nt und »2 beide gleich 1,54 sind und daß
das polychromatische Licht weißes Licht ist. 6i
8. Abbildungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
die Linsenrasteranordnung eine lineare Anordnung aus Zylinderlinsen ist und daß die beugende Struktur
ein einziges Strichgitter enthält, dessen Gitterstriche im wesentlichen parallel zu den Achsen der
Zylinderlinsen verlaufen, so daß das Farbfilter ein Farbstreifenfilter ist,
9. Abbildungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsenrasteranordnung
eine zweidimensionale Anordnung (400, 408) ist und daß die beugende Struktur zwei winkelmäßig
gegeneinander versetzte Phasengitter (404, 406; 412, 414) enthält.
10. Abbildungssystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zweidimensionale Linsenrasteranordnung
eine rechtwinklige Anordnung (400) ist und daß die Phasengitter (464,406) um 90°
in Bezug aufeinander verdreht sind.
11. Abbildungssystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zweidimensionale Linsenrasteranordnung
eine hexagonale Anordnung (408) ist und daß die beiden Phasengitter (412, 414) um
12ü° in Bezug aufeinander verdreht sind.
12. Abbildungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
die Linsenrasteranordnung und die beugende Struktur aus geformtem Kunststoffmaterial bestehen.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein mit polychromatischem Licht arbeitendes Abbildungssystem gemäß
dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Abbildungssystem, das einen auf dem
Beugungsprinzip arbeitenden Farbfilter und eine Abbildungsoptik enthält, in deren Bildebene eine phoioempfindiiche
Fläche angeordnet ist oder werden kann.
Farbfilter werden u. a. in der Farbphotographie und in Farbfernsehkameras verwendet. Die üblichen Farbfilter
enthalten absorbierende Farbstoffe oder dichroitische Spiegel. In jüngerer Zeit sind ferner Farbfilter
entwickelt worden, die auf dem Prinzip der Beugung arbeiten, siehe z. B. die US-PS39 57 354,40 79 411 und
4130347.
Beim Fernseh-Rundfunk v/erden gewöhnlich verhältnismäßig teure Farbfernsehkameras verwendet, die
mindestens drei Bildaufnahmeröhren enthalten. Aus der US-PS 27 33 291 ist jedoch auch schon eine billigere
Einröhren-Farbfernsehkamera bekannt. Diese nur eine Bildaufnahmeröhre enthaltende Farbfernsehkamera
arbeitet mit einem optischen System, das ein räumliches Filter und ein absorbierende Farbstoffe enthaltendes
Farbcodierstreifenfilter enthält, durch das auf eine photoempfindliche Fläche der einzigen Bildaufnahmeröhre
ein Bild eines mit polychromatischem (z. B. weißem) Licht beleuchteten Objekts geworfen wird. Das
Farbcodierfilter enthält mindestens zwei Sätze von Farbfilterstreifen, die jeweils einer anderen Primärfarbe
entsprechen. Die räumliche Anordnung der verschiedenen Farbstreifen bezüglich der Abtastrichtung eines
Elektronenstrahls in der Bildaufnahmeröhre ist so gewählt, daß zusätzlich zu einem Leuchtdichtesignal
für jede Farbe ein eigener, farbsignalmodulierter Träger erzeugt wird. Durch räumliche Oberwellen und Intermodulationskomponenten
der räumlichen Grundfrequenzen des Farbstreifenfilters können unerwünschte Farbschatten, Moiremuster und Farbschwcbungen
entstehen. Das räumliche Filter im ontischon
System der Bildaufnahmeröhre arbeitet als Tiefpaßfilter, das diese unerwünschten Effekte des absorbierende
Farbstoffe enthaltenden Farbstreifenfilters so weit wie möglich verringert.
Auch bei den moderneren Einröhren-Farbfernsehkameras
des oben erwähnten Typs werden zur Farbcodierung noch immer die gleichen Farbstreifenfilter mit
absorbierenden Farbstoffen verwendet. Die Struktur des in Verbindung mit dem zur Farbcodierung dienenden
Farbstreifenfilter verwendeten räumlichen Filters wurde jedoch verbessert. Aus der US-PS 39 40 788 ist
z. B. em Raumfilter für eine Einröhren-Farbfernsehkamera bekannt, welches ein Phasengitter und ein Linsenraster
enthält, die in Bezug aufeinander und ein konventionelles, absorbierende Farbstoffe enthaltendes Färbcodierstreifenfilter
so angeordnet sind, daß die Farbschatten, Moiremuster und Farbschwebungen möglichst
klein werden.
Aus der US-PS 39 40 788 ist ein Abbildungssystem für eine Farbfernsehkamera bekannt, das die einzelnen
Farbkomponenten mittels eines Farbcodierstreifepfilters
mit Farbfilterstreifen und einer Reihenanordnung von Zylinderlinsen räumlich zerlegt. Bei dieserbekannten
Anordnung ist außerdem ein Phasenfilter zum Zweck der Tiefpaßfilterung erforderlich.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese bekannten Systeme zu vereinfachen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Farbfilter der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Durch die vorliegende Erfindung wird es möglich, auf irgendwelche mit absorbierenden Farben arbeitenden
Farbfilte sowie auf ein getrenntes Raumfilter im optischen System einer Einröhren-Farbfernsehkamera
völlig zu verzichten. Stattdessen wird ein auf dem Prmzip der Beugung arbeitendes Farbfilter geschaffen, das
selbst (und nicht das in Verbindung mit dem absorbierende Farben enthaltenden Farbcodierfilter verwendete
Raumfilter) im wesentlichen aus einer Linsenrasteranordnung und einem Phasen-Beugungsgitter
besteht.
Durch die Erfindung wird insbesondere eiii mit Beugung
arbeitendes Farbfilter für ein mit polychromatischem Licht arbeitendes Abbildungssystem geschaffen,
welches eine Abbildungsoptik mit einer Bildfläche enthält, in der eine photoempfindliche Hache angeordnet
ist oder angeordnet werden kann. Die Optik hat eine/ oder Blendenzahl Fc, die gleich oder größer als eine
bestimmte Mindest-Blendenzahl Ff ist. Das Farbfilter
selbst enthält eine Linsenrasteranordnung aus einem Material mit dem Brechungsindex n,. Die Linsenrasteranordnung
hat eine Linsenperiodizität L und eine Brennweite/in dem Material mit dem Brechungsindex
/I1. Außerdem ist die Linsenrasteranordnung so ausgebildet,
daß ihre Brennebene im wesentlichen mit der photoempfindlichen Fläche zusammenfallen kann.
Gemäß der Erfindung enthält das Farbfilter ferner eine beugende Struktur, die im wesentlichen in der
Nähe der Linsenrasteranordnung angeordnet ist. Die beugende Struktur besteht aus einem Material mit
einem Brechungsindex /J2. Die beugende Struktur enthält
außerdem ein Phasengitter mit einem vorgegebenen Gitterprofil S(x) und Gitterstrichabstand d, der größer
ist als eine bestimmte Wellenlänge Ades polychromatischen Lichtes. Schließlich soll die folgende Bezie- (,5
hung zwischen oben erwähnten Parametern des mit Beugung arbeitenden Farbfilters und des mit polychromatischem Licht arbeitenden Abbildungssystems, für
das das Farbfilter bestimmt ist, erfüllt sein:
Ff>—.
Ff>—.
Wenn sich bei dem oben beschriebenen Farbfilter gemäß der Erfindung das Material der Linsenrasteranordnung
bis zur Brennebene der Anordnung erstreckt, so daß sich für die Anordnung eine Blendenzahl
fc = f/ti\h ergibt, dann gilt folgende Gleichung:
F,=
d
KX
wobei K eine ganze Zahl größer als eins ist.
Im folgenden werden Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher
erläutert.
Es zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstel'-vag einer Ausführungsform
des mit Beugung arbeitenden Farbfilters gemäß der Erfindung;
Fig. 2 ein rechteckwellenförmiges Transmissions-Phasengitter mit dem Aspektverhältnis 1/2;
Fig. ? ein rechteckwellenförmiges Transmissions-Phasengitter
mit einem Aspektverhältnis, das kleiner als 1/2 ist, und
F i g. 4a und 4b Ausführungsformen eines zweidimensionalen,
mit Beugung arbeitenden Farbfilters gemäß der Erfindung.
In Fig. 1 ist ein Abbildungssystem schematisch dargestellt, das als Abbildungsoptik ein als Einzellinse
schematisch dargestelltes Objektiv 100 enthält, dessen effektive Öffnung durch eine Blende 102 definiert ist.
Das Objektiv 100 bildet ein Bündel polychromatischen, z. B. weißes Licht 104 von einem nicht dargestellten
beleuchtetes Objekt auf eine photoempfindliche Oberfläche 106 ab, die in einer Bildebene des Oojekti.s 100
angeordnet ist. Die photoempfindliche Fläche 102 kann beispielsweise durch ein photochemisches Material,
wie eine photographische Emulsion oder einen Photolack gebildet werden, oder durch eine photoelektrische
Anordnung, wie die Photokathode eines Vidicons, oder durch eine Anordnung, die eine Photospannung
erzeugt, oder durch ein photoleitfahiges Material. Auf alle Fälle entspricht die Ansprache der verschiedenen
Elementarbereiche der photoempfindlichen Fläche 106 der Intensität des auf den betreffenden Elementarbereich
fallenden Lichtes. Im Strahlengang vor der lichtempfindlichen Fläche 106 ist ferner ein mit Beugung
arbeitendes Farbfilter gemäß einer Ausführungsform der Erfindung angeordnet, welches ein Beugungsgitter
20S sowie eine Linsenrasieranordnung 110 enthält. Die Linsenrasteranordnung HO kann aus einem
transparenten Kunststoff mit einem Brechungsindex B1
bestehen, dessen obere Fläche einen z. B. durch Heißpressen hergestelltes Linsenraster aus einer Vielzahl
von Linsen 112 bildet. Die Periodizität der Linsen 112 der Linsenrasteranordnung 110 ist L, und die Linsenrasteranordnung
110 hat eine Dicke /gleich der Brennweite der einzelnen Linsen 112.
Die untere Oberfläche der Linsenrasteranordnung 110 fällt im wesentlichen mit der photoempfindlichen
Fläche 106 zusammen. Die photoempfindliche Fläche 106 fällt also mit der Brennebene der Linsenrasteranordnung
110 zusammen. Das Beugungsgitter 108 ist ein Phasengitter, das aus einer transparenten Kunststoff-Folie
mit einem Brechungsindex n2 bestehen
kann, in dessen untere Seite ein Oberflächenreliefmuster
eingepreßt ist. Die Brechungsindizes ri\ und n2
können gleich oder verschieden sein. Das Beugungsgitter 108 hat einen Strichabstand d, welcher relaiiv groß
im Vergleich zu einer Wellenlänge λ im Wellenlängenbereich
des polychromatischen Lichtes, jedoch verhältnismäßig klein bezüglich der Linsenperiode L der Linsenrasteranordnung
110 ist. Die Perioden des Beugungsgitters 108 haben alle das gleiche vorgegebene
Profil Sx.
Von der in Fig. 1 dargestellten optischen Anordnung kann in mehrfacher Hinsicht abgewichen werden,
solange das Prinzip gewahrt bleibt. Man kann z. B. vorziehen, eine Linsenrasteranordnung zu verwenden,
deren Dicke kleiner ist als ihre Brennweite. Auch in die- is
sem Falle soll die Brennebene der Linsenrasteranordnung mit der Bildebene und der photoempfindlichen
Fische ziisumrricrifssscri. D:c ob;gcn Gleichungen müssen dann abgewandelt werden, um der Tatsache Rechnung
zu tragen, daß nur ein Teil des Strahlenganges für die verschiedenen Beugungsordnungen (z. B. 114, 116
und 118) in einem Medium mit dem Brechungsindex n\
verläuft während der Rest des Strahlenganges in Luft verläuft, deren Brechungsindex im wesentlichen gleich
Eins ist. Man kann auch die Position der Linsenrasteranordnung und des Beugungsgitters miteinander vertauschen
oder beide in ein und derselben Oberfläche bilden.
Die Wirkung des Beugungsgitters 108 auf das Lichtbündel
104, das nach Durchlaufen des Objektivs 100 auf das Beugungsgitter 108 fällt, besteht darin, daß das in
die einzelnen Linsen 112 der Linsenrasteranordnung 110 fallende Licht in ein gebeugtes Bündel nullter Ordnung,
wie das Bündel 114, und Bündel höherer Ordnungen, wie ein Bündel 116 der positiven ersten Ordnung
und ein Bündel 118 der negativen ersten Ordnung gebeugt wird. In Fig. 1 ist die Breite der Bündel der verschiedenen
Beugungsordnungen, wie des Bündels 114 nullter Ordnung, die auf die photoempfindliche Fläche
106 fallen, gleich W. Der Abstand zwischen den Mitten der Bündel zweier benachbarter Beugungsordnungen,
wie der Abstand zwischen den Bündeln 116 bzw. 118 der
ersten Ordnung und dem Bündel 114 der nullten Ordnung
ist auf der photoempfindlichen Fläche 106 gleich g. Wenn sich die jeweiligen Bündel nullter Ordnung
nicht mit den Bündeln der höheren Ordnungen überlappen sollen, muß W^g sein.
Wenn die f- oder Blendenzahl des abbildenden Objektivs 100 gleich Fc ist, gilt die folgende Gleichung:
50
Anhand der Theorie der Beugung läßt sich ferner zeigen,
daß
g =
dn\
(4)
Durch Vereinigung der Gleichungen (3) und (4) ergibt sich, daß W<g solange als Fc^F?in ist, also
/f"2-, wie oben in Gleichung (1) angegeben !styl
Das durch jede einzelne Linse 112 der Linsenrasteranordnung 110 erzeugte Beugungsmuster wiederholt
sich im Abstand L, so daß sich die verschiedenen Beugungsordnungen von verschiedenen Linsen 112 überlagern.
Genauer gesagt wird die K-te Beugungsordnung (wobei K irgendeine spezielle ganze Zahl größer als
Eins ist) der verschiedenen Elementarlinsen 112 auf clic nullte Ordnung der Beugungsfigur der benachbarten
Elementarlinse fallen. Quantitativ gilt:
Kg = L
Die /- oder Blendenzahl FL der Linsenrasteranordnung
HO ist jedoch (unter der Annahme, daß die untere Begrenzung der Linsenrasteranordnung in ihrer Brennebene
liegt, wie es in Fig. 1 dargestellt ist) wie folgt definiert:
F1 =
rt\L
Setzt man die Gleichungen (4) und (5) in die Gleichung (6) ein, SO cfgiut sich uic üben uerciis aiigcführic
Gleichung (2), nämlich
Auch wenn die Linsenrasteranordnung mit ihrer unteren Begrenzung nicht ganz bis zu ihrer Brennebene
reicht, ist die effektive Blendenzahl FL immer noch proportional
zu f/L, die Proportionalitätskonstante ist jedoch dann etwas komplexer als Mnx. Die effektive
Proportionalitätskonstante müßte in diesem Falle unter Berücksichtigung des Brechungsgesetzes und der Tatsache
berechnet werden, daß ein Teil der Strahlengänge der in die verschiedenen Ordnungen gebeugten Bündel
(z. B. 114,116 und 118) in einem Medium mit dem Brechungsindex r.\ verläuft während der Rest der Strahlengänge
in einem Medium mit einem anderen Brechungsindex, z. B. Eins im Falle von Luft, verläuft.
Eine aus Zylinderlinsen bestehende Linsenrasteranordnung 110 erzeugt in ihrer Brennebene auf der photoempfindlichen Fläche 106 ein Farbmuster, das aus
verschiedenen nebeneinanderliegenden Farbstreifen besteht. Im allgemeinen sind die Streifen in sich wiederholende
Gruppen von Streifen unterteilt, von denen jede Gruppe K verschiedene Farbstreifen enthält. In
dem speziellen Falle, daß das Beugungsgitterprofil symmetrisch ist (d. h. S(x) = S(-x)\ besteht jedoch jede
der sich wiederholenden Gruppen von Streifen nur aus (1+ einem ganzzahligen Teil von X72) verschiedenen
Farbstreifen.
Die Farbe der verschiedenen Streifen wird durch die optische Transmittanz der verschiedenen Beugungsordnungen
des Beugungsgitters 108 bestimmt. Diese optische Transmittanz hängt von dem jeweiligen Profil
S(x) und dem Beugungsindex n2 des betreffenden Beugungsgitters
108 ab. Für grobe Gitter (bei denen d wesentlich größer als λ ist) kann die vereinfachte Beugungstheorie
unter Verwendung derKirchhoff-Huygens-Näherung verwendet werden, um den Beugungswirkungsgrad
des Gitters als Funktion der Lichtwellenlänge für jede der verschiedenen einander überlagerten
Beugungsordnungen, die zu einem Farbstreifen beitragen,
bestimmt werden. Durch Summierung der jeweiligen Beugungswirkungsgrade der einen bestimmten
Farbstreifen bildenden überlagerten Beugungsordnungen kann dann der Farbton jedes der K Farbstreifen
berechnet werden. Es soll in diesem Zusammenhang bemerkt werden, daß die Farbe an den Rändern der einzelnen
Farbstreifen sich infolge der Winkeldispersion bei allen mit Ausnahme der nullten Ordnune etwas
iinilcrt. Was errechnet wird, ist jedoch die mittlere Farbe
über die Breite W jedes einzelnen Farbstreifens. Wie der Bcugungswir^ungsgrad als Funktion der Lichtwellcnlänge
für die verschiedenen Beugungsordnungen eines Beugungsgitters unter Verwendung der vereinlachten
Kirchhoffschen Beugungsgleichungen errechnet wp'den kann, ist in der US-PS 39 57 354 beschrieben,
so daß hier auf weitere Erläuterungen verzichtet werden kann.
Jede Gitlerstrichperiode des Beugungsgitters 108 kann irgendeine Profilform haben, die durch eine entsprechende
Funktion Sx beschrieben wird. Wie aus der US-PS 39 57 354 bekannt ist, gibt es jedoch eine Klasse
von Profilen, die sich für die Erzeugung von guten Farben besonders eignet. Diese Profile sind alle Stufenfunktionsprofile
mit vertikalen Wänden oder Flanken und ebenen Basisflächen, die alle den gleichen Winkel
mit dom einfallenden Licht bilden. Ein spezielles, vorteilhaftes
Beispiel ist das in Fig. 2 dargestellte Rechtcckwellenprofil, auf das unten noch näher eingegangen
werden wird. Die anderen Profile, die zwar keine so guten Farben liefern, aber für den vorliegenden Zweck
ebenfalls verwendel werden können, wie Sinuswellenprofile, sind alle kontinuierliche oder stetige Profile.
Fig. 2 zeigt eine erste bevorzugte Ausführungsform 108a für das Beugungsgitter 108 des in Fig. I dargestellten
Farbfilters. Das Beugungsgitter 108a ist ein grobes (Strichabstand i/größer oder gleich 5 μΐη), rechteckwellenförmiges
Phasengitter aus einem Material mit einem Brechungsindex n2, der größer ist als der seiner Umgebung
(die normalerweise aus Luft mit dem Brechungsindex Eins besteht). Das Rechteckwellenprofil wird
durch gleichmäßig beabstandete Vorsprünge 200 gebildet, die jeweils eine Breite ν und eine Tiefe a' haben.
Das Aspektverhältnis* = v/i/des Rechteckwellenprofilgitlers 108a ist 1/2. Das Profil Sx des Rechteckwellenproiligiticrs
iüSa ist daher durch die folgenden Gleichungen
(7) definiert.
S(x) =
+ -y-fijrcos(2/r;c/tf)<:0
--|-für cos (2/TAVo1^O
--|-für cos (2/TAVo1^O
40
(7)
45
Da das Rechteckwellenprofilgitter 108a ein grobes Gillcr(</ä5 Jim) ist, können die Kirchhoffschen Gleichungen
für die vereinfachte Beugungstheorie angewendet werden, um die verschiedenen Beugungswirkungsgrade
für die nullte Beugungsordnung und eine oder mehrere höhere Beugungsordnungen zu bestimmen.
Es sei angenommen, daß die ganze Zahl K, die größer als Eins ist, den Wert 2 hat, so daß jede der sich wiederholenden
Gruppen zwei verschiedene Farbstreifen enthält, und man kann dann zeigen, daß die jeweiligen
optischen Transmittanzen /, (λ) und I2 U) für diese beiden
verschiedenen Farben durch die folgenden Gleichungen gegeben sind:
11 U) = sin2 Mn2 - 1) α'/λ)
12 U) = cos2 (π(η2 - 1) α'/λ)
(8) (9)
ζ, U) und h U) stellen für Werte von a' (n2 - 1) im
Bereich von 500- i 700 nm heiie und gesättigte Komplementärfarben dar.
Bezüglich feinstrichigen Farbfiltern, die auf dem Prinzip der Beugung arbeiten, also Beugungsfarbfiltem
65 mit Strichabständen J zwischen 0,7 und 2,0 um sei auf
die US-PS 41 30 347 verwiesen. Dort ist dargelegt, daß man die strengere Beugungstheorie (die berücksichtigt,
daß das Licht eine elektromagnetische Welle ist, die durch die Maxwell-Gleichungen beschrieben wird)
anwenden muß, um die Werte der Tiefe α und des
Aspektverhältnisses b eines Rechteckwellenprofils zu bestimmen, wenn man mit einem feinstrichigen Beugungsfilter
gute Farben erhalten will. Wenn also, wie es in Fig. 2 dargestellt ist, ein Beugungsgitter 108* verwendet
werden soll, dessen Strichabstand d zwischen 0,7 und 2,0 μπι liegt, wird die Breite vjedes Vorsprunges
300 wesentlich kleiner als die Hälfte des Strichabstandes dgewählt. Das Aspektverhältnis * des Gitters 108*
ist also wesentlich kleiner als 0,5. Wie in der erwähnten US-PS41 30 347 gezeigt ist, besteht jedoch immernoch
eine starke Wellenlängenabhängigkeit des Beugungswirkungsgrades der verschiedenen Ordnungen, und
man kann daher auch mit feingeteilten Beugungsgittern, die ein rechteckiges Rillenprofil haben, wie dem
natürlich stark vergrößert dargestellten Beugungsgitter 108*, immer noch gute Farben erzeugen.
In der Praxis enthält ein typisches Kamera- und/oder Projektionssystem eine Abbildungsoptik mit einer /-
oder Blendenzahl /\ gleich drei oder weniger. Wenn der
Wert von λ mit ungefähr 0,5 am angenommen wird,
ergibt sich aus der obigen Gleichung (1) die Bedingung, daß i/S 1,5 um sein soll. Der Wert von L wird
gewöhnlich so gewählt, daß das gewünschte Auflösungsvermögen gewährleistet ist. Die übrigen Parameter
können aus der Gleichung (2) ermittelt werden, aus der sich für einen Wert K = 2 eine Blendenzahl FL
der Linsenrasterlinsen von 1,5 und eine Brennweite/ für diese Linsen von etwa 2,3 L (für eine typischen Wert
n, = 1,5) ergibt.
Es wurden verschiedene auf dem Prinzip der Beugung arbeitende Streitentarbfilter gemäß den Lehren der vorliegenden
Erfindung hergestellt. Gute Resultate ergaben sich bei Verwendung von Beugungsgittern mit
einem Strichabstand α* von 1,4 μίτι und einem Linsenraster
mit einer Periodizität L im Bereich von 30-50 um. Sowohl die Gitter als auch die Linsenraster wurden
durch Prägen oder Pressen der Oberfläche einer Kunststoff-Folie aus Polyvinylchlorid (PVC) hergestellt, so
daß H1 = n2 = 1,54 ist. Die beugenden Streifenfarbfilter
gemäß der Erfindung lassen sich dementsprechend mit wesentlich geringeren Kosten herstellen als die konventionellen
Farbstreifenfilter, die absorbierende Farbstoffe enthalten.
Es sind Farbfernsehkameras für den Heimgebrauch ent .vickelt worden, die mit einem Farbcodierstreifenfilter
arbeiten und eine einzige photoempfindliche Fläche einer ladungsgekoppelten CCD-Halbleiterenrichtung
für die Bildaufnahme anstelle einer konventionellen Einstrahl-Vidiconröhre enthalten. Bei einer solchen
CCD-Farbfernsehkamera besteht neben anderen Vorteilen
die Möglichkeit, daß sie mit sehr geringen Kosten hergestellt werden kann, was besonders für Farbfernsehlcameras
zum Privatgebrauch sehr wesentlich ist. Wegen der geringen Kosten ist das Farbfilter gemäß der
Erfindung für solche Heim-Farbfernsehkameras, wie CCD-Farbfemsehkameras von besonderer Bedeutung.
Die bisher in Verbindung mit den Fig. 1,2 und 3 beschriebenen beugenden Farbfilter sind quasi-eindimensional,
d. h. sie enthalten ein einziges Beugungsgitter mit strichformigen beugenden Elementen und ein
Linsenraster mit Zylinderlinsen. Die vorliegende Erfindung ist jedoch auch auf zweidimensionale beugende
Farbfilter anwendbar, welche zwei verschiedene, winkelmäßig versetzte Beugungsgitter und eine zweidimensionale
Linsenrasteranordnung mit sphärischen Linsen enthalten. In den Fig. 4a und 4b sind schematisch
die räumlichen Anordnungen zweier Ausführungsformen von zweidimensionalen beugenden Farbfiltern,
die ger"äß dem Prinzipien der vorliegenden Erfindung aufgebaut sind, dargestellt.
Das in F i g. 4a schematisch dargestellte Farbfilter enthält eine Linsenrasteranordnung mit sphärischen Linsen,
die räumlich in Zeilen und Spalten mit einer Zeilenperiodizität L und einer Spaltenperiodizität L
angeordnet sind. Genauer gesagt liegt jede einzelne sphärische Linse der Linsenrasteranordnung 400 in
einem eigenen quadratischen Bereich, wie dem quadratischen Bereich 402, dessen beide Seiten die Länge L
haben. Die zweidimensionale Linsenrasteranordnung 400 arbeitet mit einer beugenden Struktur zusammen,
welche zwei einander überlagerte Beugungsgitter 404 und 406 enthält, die beide den gleichen Strichabstand d
haben. Wie in Fig. 4a zeigt, sind die Striche des Beugungsgitters 404 parallel zu den Zeilen der Linsenrasteranordnung
400 orientiert, während die Striche des Beugungsgitters 406 parallel zu den Spalten der zweidimensionalen
Linsenrasteranordnung 400 verlaufen. Die beiden Beugungsgitter 404 und 406 sind also winkelmäßig
um 90° in Bezug aufeinander versetzt.
Mit den Buchstaben A, B, C und D ist in Fig. 4a die räumliche Anordnung der verschiedenfarbigen Flecke
dargestellt, die in der Brennebene der zweidimensionalen
Linsenrasteranordnung 400 entstehen. A repräsentiert die Farbe, die an den betreffenden Stellen durch
das gebeugte Bündel nullter Ordnung der beiden Gitter erzeugt wird, während B und Cdie Farben bedeuten, die
an den entsprechenden Stellen durch die jeweiligen ersten Ordnungen jedes einzelnen der beiden Gitter
erzeugt werden, während D die Farbe bedeutet, die an den betreffenden Stellen durch eine Mischung, der
Bündel erster Ordnung von zwei benachbarten Linsen erzeugt werden.
Fig. 4b zeigt eine andere räumliche Anordnung für ein zweidimensionales beugendes Farbfilter. Dieses
enthält eine wabenartige Linsenrasteranordnung 408, bei der jede sphärische Linse in einem eigenen sechseckigen
Bereich angeordnet ist, wie dem Bereich 410. Die Seitenlänge der hexagonalen Bereiche ist L, so daß
die zweidimensionale Linsenrasteranordnung 408 die Periodizität L hat. Die beugende Struktur der Ausführungsform
gemäß Fi g. 4b enthält zwei einander überlagerte, gegeneinander verdrehte Beugungsgitter 412 und
414. Wie aus Fig. 4b ersichtlich ist, verlaufen die Striche
des Beugungsgitters 410 parallel zu einem Satz Seiten und die Linien des Beugungsgitters 414 parallel zu
einem anderen Satz Seiten der hexagonalen Bereiche, wie des Bereiches 410 der zweidimensionalen Linsenrasteranordnung
408. Die Striche des Beugungsgitters 412 sind also um 120° bezüglich der Striche des Beugungsgitters 414 verdreht In Fig. 4b sind ferner die jeweiligen
räumlichen Positionen der Farbflecke A, B, Cund D dargestellt; die Bedeutung dieser Buchstaben war oben
in Verbindung mit Fig. 4a erläutert worden.
Zur Vereinfachung der Beschreibung der in den Fig.
4a und 4b dargestellten zweidimensionalen beugenden Farbfilter war angenommen worden, daß K = 2 und daß
d und L fiir alle Richtungen gleich seien. Seibstverständlieh
läßt sich die vorliegende Erfindung auch auf weniger
symmetrische zweidimensionale Strukturen anwenden, bei denen d, L und K anders gewählt sind.
Die mit Beugung arbeitenden Farbfilter gcmiiü der
Erfindung haben unter anderen die folgenden Vorteile:
1. Sie lassen sich durch Gießen oder Pressen mit geringen Kosten in Massenproduktion herstellen;
2. sie sind sehr stabil und bleichen beim Gebrauch oder mit der Zeit nicht aus;
3. sie nützen das Licht praktisch 100%ig aus, da nichts von dem einfallenden Licht absorbiert oder reflektiert
wird;
4. sie lassen sich mit den verschiedensten Werkstoffen herstellen und
5. sie ermöglichen die Erzeugung der verschiedensten Farbmuster.
Ein Vorteil der Farbfilter gemäß der Erfindung, auf den besonders hingewiesen werden soll, besteht ferner
darin, daß sie gut mit einer Ahhildiingsoptik arbeiten,
die eine verhältnismäßig kleine Blendenzahl F1. haben.
Eine Optik mit kleiner Blendenzahl F1. hat eine entsprechend
hohe Lichtstärke. Es sei in diesem Zusammenhang auf die bereits erwähnte US-PS 40 79 411 verwiesen,
in der ein Phasen-Beugungsfilter beschrieben ist, dessen Nahfeld-Fokussierungseigenschaften wellenlängenabhängig
sind, so daß es ebenfalls als Beugungsfarbfilter arbeitet. Bei diesem beugenden Farbfilter muß
jedoch das einfallende polychromatische Lichtbündel kollimiert sein, d. h. die Blendenzahl der Abbildungsoptik muß mindestens fünfzehn betragen. Diese Blendenzahl
ist etwa 5-10 mal größer (entsprechend einer Verringerung der Beleuchtungsstärke um den Faktor
25-100) als es bei dem Beugungsfarbfilter gemäß der Erfindung erforderlich ist.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
1. Mit polychromatischem Licht arbeitendes Abbildungssystem, das ein auf dem Prinzip der Beu- S
gung arbeitendes Farbfilter, ein abbildendes Objektiv mit einer Bildebene und einer vorgegebenen
Blendenzahl Fc, die gleich oder größer als eine Mindestblendenzahl
Ff ist, und eine in der Bildebene angeordnete photoempfindliche Fläche enthält und
bei dem der Farbfilter eine Linsenrasteranordnung umfaßt, die eine Linsenperiodizität L und eine
Brennweite / sowie eine effektive Blendenzahl FL
proportional zu f/L hat und so angeordnet ist, daß
ihre Brennebene im wesentlichen mit der photoempfindlichen Fläche zusammenfällt, dadurch
gekennzeichnet, daß bei der Linsenrasteranordnung (110, 400, 408) eine beugende Struktur (108;
404,406; 412:414) angeordnet ist, die ein Phasengitter
mit einej" vorgegebenen Gitterprofil S(x) und
Gitterstrichabstand d, der größer als eine bestimmte Wellenlänge λ des polychromatischen Lichtes ist,
enthält, und daß die folgende Beziehung erfüllt ist:
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