DE2608176C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur kohärenten Beleuchtung eines Objektes der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen, aus der DE-AS 19 31 60 bekannten Art.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur kohärenten Beleuchtung eines Objektes zu schaffen, die eine möglichst gute Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Lichtenergie gestattet und eine Beleuchtung jedes Punktes der der Lichtquelle zugewandten Fläche des Objektes aus mehreren Richtungen ermöglicht.

Diese Aufgabe wird ausgehend von der gattungsgemäßen Vorrichtung erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Bevorzugte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Gegenstand der Patentansprüche 2 und 3, deren Merkmale zu einer besonders gleichmäßigen Verteilung der Lichtintensität führen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung läßt sich in Mikroskopen, bildtelegraphischen Apparaten, optischen automatischen und halbautomatischen Ablesegeräten, optischen Rechenmaschinen sowie in all solchen Geräten und Apparaturen benutzen, bei denen auf der dem Licht zugewandten Oberfläche eines Objektes eine möglichst gleichmäßige Lichtintensitätsverteilung erforderlich ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung gestattet es, hochwertige Abbildungen ohne Kontrastverluste zu erhalten, so daß auch mit äußerst kontrastarmen Objekten gearbeitet werden kann.

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur kohärenten Beleuchtung eines Objektes wird anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine zum Teil geschnittene Seitenansicht einer Vorrichtung zur kohärenten Beleuchtung und

Fig. 2 in vergrößertem Maßstab einen Teilschnitt der Vorrichtung der Fig. 1 mit dem Strahlengang in der Meridionalebene.

Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung zur kohärenten Beleuchtung enthält einen ein kohärentes Lichtbündel 2 aus parallelen Lichtstrahlen emittierenden Laser 1, der beispielsweise aus einem kontinuierlichen Helium-Neon-Gaslaser besteht. Die parallelen Lichtstrahlen der Lichtbündel 2 werden mittels eines ringförmigen Linsenrasters 4 in eine unendliche Menge von Lichtbündeln 3 aus parallelen Strahlen verwandelt.

Die optischen Achsen der einzelnen Linsen des Linsenrasters 4 sind unter einem Winkel von 0 bis 90°C zueinander angeordnet. Die gegenseitige räumliche Anordnung der Linsen des Linsenrasters 4, ihre Form und Anzahl sind willkürlich wählbar. Als Kondensor dient ein Kardioidkondensor 7 mit ringförmiger Eintrittspupille. Zur vollständigen Verwendung der vom Laser 1 ausgestrahlten Lichtenergie sind zwischen dem Laser 1 und dem Linsenraster 4 im Strahlengang des Lichtbündels 2 zwei koaxiale Kegel 8 und 9 mit reflektierenden Kegelflächen 10, 11 angeordnet.

Der Durchmesser der zentralen Öffnung 12 des Linsenrasters 4 wird durch den Innendurchmesser des in die Öffnung 12 einfallenden hohlen Lichtbündels bestimmt.

Der Laser 1, die Kegel 8 und 9, die Öffnung 12 und der Kardioidkondensor 7 stellen ein zentriertes optisches System dar, d. h., sie liegen auf einer gemeinsamen optischen Achse.

Damit die ringförmige Eintrittspupille des Kardioidkondensors 7 durch sämtliche Lichtbündel 3 aus parallelen Strahlen vollständig ausgefüllt wird, ohne einen Teil dieser Strahlen durch die ringförmige Eintrittspupille abzuschneiden, ist zwischen dem ringförmigen Linsenraster 4 und dem Kardioidkondensor 7 im Strahlengang der Lichtbündel 3 eine ringförmige Kollektivlinse 13 angeordnet, die als Plankonvexlinse ausgeführt ist, deren konvexe Oberfläche eine toroidale Form hat. Die Form der Kollektivlinse 13 wird entsprechend der ringförmigen Eintrittspupille des Kardioidkondensors 7 und dem in Fig. 2 dargestellten Strahlengang hinter dem Linsenraster 4 gewählt.

Eine Vorrichtung mit einem Laser 1, einem Linsenraster 4 einem Kardioidkondensor 7 und zwei koaxialen Kegeln 8, 9 mit reflektierenden Kegelflächen 10 bzw. 11 arbeitet folgendermaßen.

Das vom Laser 1 ausgestrahlte kohärente Lichtbündel 2 wird über die reflektierenden Flächen 10, 11 der Koaxialkegel 8, 9 derart auf das Linsenraster 4 gelenkt, daß die ringförmige Pupille des Kardioidkondensors 7 von sämtlichen Lichtbündeln 3 aus parallelen Lichtstrahlen ausgefüllt wird, die sich hinter dem Linsenraster 4 fortpflanzen. Die Wirkung der Koaxialkegel 8, 9 mit den reflektierenden Kegelflächen 10, 11 besteht darin, daß das auf den Kegel 8 einfallende dichte zylindrische Lichtbündel 2 aus parallelen Strahlen sich nach der Reflexion am Kegel 9 in ein hohles zylindrisches Lichtbündel aus parallelen Strahlen verwandelt (siehe Applied Optics (Bd. 12, N 8) Aug. 1973, W. R. Edmonds, The Reflaxicon, a New Reflective Optical Element, and some Applications).

Läßt man elementare Rechenoperationen weg und vernachlässigt die Reflexionsverluste, dann wird die Wirkung der reflektierenden Kegelfläche durch die Funktion T _k (x, y) bestimmt, wobei mit einer Genauigkeit bis auf den konstanten Phasenfaktor die Beziehung gilt:

wobei c _k und a _k konstante Größen sind, die die geometrischen Kennwerte der Kegelfläche bestimmen.

Es stelle g₀ (x, y) die Amplitudenverteilungsfunktion des Feldes der einfallenden Strahlung dar, das durch den Laser 1 in einer zur Achse des Kegels 8 senkrechten Ebene xoy emittiert wird, die durch die Kegelspitze verläuft. Dann wird die Amplitudenverstellung des Strahlungsfeldes nach zweifacher Reflexion von den Kegelflächen 10, 11 der Kegel 8, 9 in der zu ihrer gemeinsamen Achse senkrechten Ebene bis zum konstanten Phasenfaktor genau durch die folgende Funktion beschrieben:

g₁(x₁, y₁) = g₀(x, y) · D _k (x₁, y₁) · T _{k 1} (x, y) · T _{k 2} (x, y),

worin D _k (x₁, y₁) die Pupillenfunktion des Systems der beiden koaxialen Kegel 8 und 9 ist.

darin sind D₁, D₂ der innere bzw. äußere Durchmesser der Pupille des Kegels 9,

T _{k 1} (x, y), T _{k 2} (x, y)

sind Funktionen, die die Wirkung der Reflexionsflächen 10, 11 der Kegel 8 bzw. 9 kennzeichnen.

Im Falle kreisförmiger Kegel ist

c _{k 1} = a _{k 1}, c _{k 2} = a _{k 2},

daraus ergibt sich:

T _{k 1} (x, y) = 1, T _{k 2} (x, y) = 1.

Folglich ist

g₁(x₁, y₁) = g₀(x, y) · D _k (x, y).

Eine Vorrichtung, die gemäß Fig. 1 und 2 zusätzlich die als Plankonvexlinse ausgebildete Kollektivlinse 13 aufweist, arbeitet analog der vorstehend beschriebenen. Ihr Unterschied wird dadurch bestimmt, daß zur vollständigen Ausfüllung der Eintrittspupille des Kardioidkondensors durch sämtliche Lichtbündel 3 aus parallelen Strahlen, ohne sie abzuschneiden, eine Übereinstimmung der Aperturen des Linsenrasters 4 und des Kardioidkondensors 7 herbeigeführt werden muß.

Die hintere Brennebene des Linsenrasters 4 fällt mit der vorderen Hauptebene der Kollektivlinse 13 zusammen, deren hintere Brennebene mit der Eintrittspupille des Kardioidkondensors zusammenfällt. In Fig. 2 ist der Strahlengang durch das Linsenraster 4 und die Bildfeldlinse bei gänzlicher Ausfüllung der ringförmigen Eintrittspupille des Kardioidkondensors 7 gezeigt.

Bei einem Versuchsmuster der Einrichtung wurde ein Kontrast von 0,5 des Objektivbildes erhalten, dessen Kontrast bei nicht kohärenter Beleuchtung nur 0,2 betrug.

Claims (3)

1. Vorrichtung zur kohärenten Beleuchtung eines Objekts (5), mit einem ein kohärentes Lichtbündel (2) emittierenden Laser (1) und mit einem auf dem Weg der Strahlen des Lichtbündels (2) des Lasers (1) angeordneten Linsenraster (4), das das kohärente Lichtbündel (2) in eine unendliche Zahl gegeneinander geneigter Lichtbündel (3) aus zueinander parallelen Lichtstrahlen umwandelt, dadurch gekennzeichnet, daß das Linsenraster (4) ringförmig ausgebildet ist, wobei dem Linsenraster (4) im Strahlengang zwei koaxiale reflektierende Kegelflächen (8, 9) vorgeschaltet und ein Kondensor (7) nachgeschaltet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem ringförmigen Linsenraster (4) und dem Kondensor (7) eine ringförmige Kollektivlinse (13) angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensor (7) als Kardioidkondensor ausgebildet ist.