DE4035144A1

DE4035144A1 - Optisches strahlenteilersystem zur erzeugung einer mehrzahl von reellen abbildungen

Info

Publication number: DE4035144A1
Application number: DE19904035144
Authority: DE
Inventors: Viktor Vladimirovic Lazarev; Aleksandr Tursunovic Rachimov; Leonid Borisovic Rubin
Original assignee: BIO PHOTONICS GmbH
Current assignee: BIO PHOTONICS GmbH
Priority date: 1990-11-06
Filing date: 1990-11-06
Publication date: 1992-05-07
Also published as: JPH06130320A; EP0484802A2; EP0484802A3

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein optisches Strahlenteilersystem zur Erzeugung einer Mehrzahl von reellen Abbildungen eines Objekts in einer Ebene mit einem Objektiv und hinter diesem angeordneten, den Strahlengang an ebenen Reflexionsflächen ablenkenden optischen Elementen. Systeme dieser Art können Anwendung finden bei Fernseh-Aufnahmekameras, in der Luftbildfoto grafie oder der Fotografie aus dem Weltraum, in der Mikroskopie, der allgemeinen Fotografie, der Foto lithografie bei der Herstellung von Druckplatten, bei der Spektraluntersuchung von Abbildungen, in Projektionsgeräten und ähnlichen Fällen, und zwar überall dort, wo es notwendig ist, gleichzeitig mehrere völlig gleiche Abbildungen des Objekts zu gewinnen.

In einigen dieser Anwendungsfälle sollen die gewonnenen Abbildungen sich bezüglich ihrer Spektralbereiche oder der Polarisation der sie erzeugenden Lichtströme unterscheiden. Derartige gleiche, jedoch aus verschie denen Spektralbereichen oder bezüglich ihrer Polari sationsrichtung unterschiedlichen Anteilen gewonnenen Abbildungen erlauben in bestimmten Anwendungsfällen z. B. das Studium der Verteilung bestimmter Stoffe im untersuchten Objekt, die Hervorhebung charakteri stischer Einzelheiten oder Bereiche und dergl. Bei der Untersuchung bewegter Objekte müssen alle sich so unterscheidenden Abbildungen im übrigen identisch sein, also insbesondere auch gleichzeitig und unter dem gleichen Blickwinkel erhalten werden.

Strahlenteilersysteme, die einen Lichtstrom auf optische Kanäle aufteilen und eine Mehrzahl von reellen Ab bildungen erzeugen, sind bei Mehrkanal-Fernsehkameras bekannt, z. B. für Luft- oder Weltraumaufnahmen der Erdoberfläche. Bei einer aus der Information "Mehrkanal kamera für aerokosmische Aufnahmen MB-490 B, Japan" in "Express-Information", Ausgabe 5, Serie Aerophoto topographie, Moskau, 1. Juli 1980, Seite 3 und 4 bekannten Kamera dieser Art wird als Strahlenteilervor richtung zur Gewinnung einer Mehrzahl von Abbildungen ein System verwendet, das aus mehreren Objektiven besteht, deren Achsen räumlich nebeneinanderliegen. Hier muß die Anzahl der Objektive der Anzahl der zu erzeugenden Abbildungen entsprechen. Die hohen Anforderungen, die an die Qualität der Bilder gestellt werden, macht es unmöglich, ein einfaches Linsenraster zur Erzeugung der Abbildungen zu verwenden. Die ver schiedenen Spektralbereiche, die die Abbildungen wiedergeben sollen, werden durch entsprechende Filter bei jedem Objektiv gewährleistet.

Diese bekannte Luftbild- oder Weltraumkamera hat große Abmessungen, hohes Gewicht und ist äußerst aufwendig und damit teuer. Darüber hinaus erzeugt sie wegen des zwischen den Objektiven notwendigen Abstands keine identischen Abbildungen des Objekts, was bei geringeren Abständen des Objekts vom Objektiv ins Gewicht fällt.

Aus dem Buch "Optik der Fernseheinrichtungen"< von V.S. Babenko, Moskau, 1982, S. 156-158, ist eine Fernsehfarbkamera mit einem Objektiv und einer Strahlen teilervorrichtung bekannt, die hinter dem Objektiv und vor drei auf die Grundfarben ansprechenden Empfangs vorrichtungen - Röhren oder CCD-Bildwandlern - ange ordnet sind. Diese Strahlenteilervorrichtung besteht aus im Strahlengang angeordneten teildurchlässigen Spiegeln oder Prismen, wobei jedes dieser Elemente den Lichtstrom auf seinem gesamten Querschnitt und mit einem Teil seiner Energie durchläßt und mit dem anderen Teil seiner Energie ablenkt.

Als Nachteil dieser Ausbildung des Strahlenteilersystems kann angesehen werden, daß nur eine begrenzte Anzahl von Abbildungen erzeugt werden kann, nämlich üblicher weise drei Abbildungen. Dies hängt damit zusammen, daß die Aufteilung des Lichtstroms hintereinander geschieht, d. h. daß die den Strahlengang jeweils teilweise abfangenden optischen Elemente hinterein ander längs der Objektivachse angeordnet sind. Ist eine größere Anzahl von Abbildungen erforderlich, so ergibt sich eine Länge des Strahlenteilersystems, die entweder die Anwendung von Objektiven großer Brennweite und damit kleinem Blickfeld oder die Ver wendung zusätzlicher Objektive zur Übertragung der Abbildungen erforderlich macht.

Hinzu kommt, daß die von diesen Strahlenteilersystemen erzeugten Abbildungen in verschiedenen Bildebenen liegen. Da die Empfangsflächen der in Frage kommenden optischen Empfangs- oder Aufzeichnungsvorrichtungen - Filme, Fotopapier, Bildflächen von Empfangsröhren, Empfangsflächen von CCD-Bildwandlern und dergl. - eben sind, können die erzeugten Abbildungen nicht durch eine solche Empfangsvorrichtung aufgefangen werden, sondern es ist zur Aufzeichnung jeder Abbildung eine eigene Empfangsvorrichtung notwendig.

Wenn das abzubildende Objekt nur schwach beleuchtet ist oder die Beleuchtung in einem Spektralbereich liegt, auf den die Empfangsvorrichtung nicht anspricht, ist die Verwendung von elektronenoptischen Wandlern notwendig, deren Anzahl ebenfalls gleich der Anzahl der Abbildungen sein muß. Die Notwendigkeit der Ver wendung einer Mehrzahl von Empfangsvorrichtungen und einer Mehrzahl von elektronenoptischen Wandlern macht die mit einem solchen Strahlenteilersystem aufgebaute optische Anordnung teuer, voluminös und schwer.

Die Erfindung geht aus von einem aus der DE-PS 29 48 687 bekannten Strahlenteilersystem, das in einer Betrachtungsanordnung mit zwei abstandsveränder lichen Okularen Anwendung findet, wobei im Weg des Strahlengangs ein halbdurchlässiger Strahlenteiler angeordnet ist und der durchgelassene Lichtstrom zum einen Okular gelangt, während der ausgeblendete Strahlengang durch ein Kollimatorobjektiv, ein Fern rohrobjektiv und ein Pentagonprisma zum anderen Okular gelangt. Bei dieser Ausbildung sind zwar die beiden erzeugten Abbildungen identisch und liegen auch in einer Bildebene, jedoch ist zur Erzeugung der zweiten Abbildung die zusätzliche Abbildungsoptik aus Kollimator und Fernrohrobjektiv erforderlich, was das System ebenfalls aufwendig und teuer macht.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines optischen Strahlenteilersystems, mit dem bei einfachem Aufbau eine Vielzahl von geometrisch iden tischen reellen Abbildungen eines Objekts in einer Bildebene erzeugt werden können. Auf diese Weise soll eine kostengünstige Möglichkeit geschaffen werden, insbesondere auch nahe Objekte mehrfach identisch abzubilden.

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale. Das Wesen der Erfindung läuft darauf hinaus, daß hinter dem Objektiv ein Bereich angegeben werden kann, in dem der Lichtstrom die vollständige Information über das Objekt enthält, nämlich der im Längsschnitt gesehen etwa dreieckförmige Bereich, der begrenzt ist durch die Strahlen, die jeweils von einer Grenze des Objekts ausgehen und auf der gleichen Seite der Objektivachse als Randstrahl durch das Objektiv treten.

Allgemein kann dieser Bereich beschrieben werden als der Bereich der Überschneidung aller von jedem Grenzpunkt des Objekts ausgehenden und durch das Objektiv durchtretenden Strahlenbündel, die sich somit hinter dem Objektiv wieder im Bildpunkt des jeweils betrachteten Objektgrenzpunkts vereinen.

In diesem Bereich enthält somit auch ein Teilquerschnitt des Lichtstroms die volle Information über das Objekt und wenn in diesem Bereich eine Mehrzahl von einen Teilquerschnitt des Lichtstroms erfassenden und seitlich versetzenden optischen Elementen angeordnet wird und die durch diese optischen Elemente verursachte Änderung des Abstands der Bildebene vom Objektiv gleich ist, werden eine entsprechende Anzahl von identischen Abbildungen nebeneinander in einer gemein samen Bildebene erhalten.

Es versteht sich, daß die optischen Elemente so ange ordnet sein müssen, daß sie sich nicht gegenseitig abschatten. Ebenso sollte jedes optische Element den aufgefangenen Teillichtstrom vollständig weiter leiten. Geschieht dies nicht und deckt das Austritts fenster des optischen Elements einen Teil des vom Eintrittsfenster aufgefangenen Teillichtstroms ab, so ergibt sich eine ungleichmäßige, in einer Richtung abnehmende Ausleuchtung der erzeugten Abbildung. Die Beleuchtungsstärke jedes Punktes der erzeugten Abbildung wird bestimmt durch den Öffnungswinkel des in diesem Punkt zusammenlaufenden Strahlenbündels.

Die von den optischen Elementen bewirkte seitliche Auslenkung und Zurücklenkung in die ursprüngliche Richtung ergibt eine Parallelversetzung des Strahlen gangs in Querrichtung, die im allgemeinen von einer Änderung der Lage der Bildebene begleitet ist. Die neue Bildebene kann näher, aber - je nach der Art des verwendeten optischen Elements - auch weiter vom Objektiv entfernt liegen als die vom Objektiv ohne Einschaltung optischer Elemente erzeugte Bildebene. Wenn alle optischen Elemente eine gleiche Änderung des Abstandes der Bildebene bewirken, so ergibt sich eine neue Bildebene der mehreren nebeneinanderliegenden identischen Abbildungen.

Die Größe und die Richtung der Versetzung jeder Ab bildung hängt von der Form und dem Charakter der Anordnung des entsprechenden optischen Elements ab. Sind die mehreren verwendeten optischen Elemente identisch, so werden diese so angeordnet, daß ihre ersten Reflexionsflächen nicht parallel zueinander, aber unter gleichem Winkel zur Objektivachse stehen.

Die Verteilung der Beleuchtungsstärke für verschiedene Abbildungen unterscheidet sich voneinander sowie von der Verteilung der Beleuchtungsstärke des Objekts. Dies ist bedingt durch die Randabschattung der Strahlen durch die Eintritts- und Austrittsfenster der optischen Elemente. Der Grad der Verzerrung der Beleuchtungs stärke der Abbildung verringert sich bei Annäherung des Eintrittsfensters des optischen Elements an die Objektivachse sowie bei Annäherung in Achsrichtung an das Objektiv. Aus diesem Grunde ist vorzuziehen, daß die optischen Elemente unmittelbar hinter dem Objektiv angeordnet sind und die Ränder ihrer Eintritts fenster die Objektivachse berühren. Bei mehr als zwei optischen Elementen haben deren Eintrittsfenster dann die Form von Sektoren, deren Spitzen auf der Objektivachse liegen.

In einer zweckmäßigen Ausgestaltung sind die Reflexions flächen der optischen Elemente ebene Spiegel, d. h. ebene Abschnitte der Oberfläche fester Körper. Der Auftrag eines totalreflektierenden Überzugs auf diese Oberflächen erhöht ihren Reflexionskoeffizienten und damit die Beleuchtungsstärke der von ihnen erzeugten Abbildung. Ein Auftrag von spektralselektiven reflek tierenden Überzügen, die bei den verschiedenen optischen Elementen in verschiedenen Spektralbereichen wirksam sind, erlaubt die Erzeugung von Abbildungen in diesen verschiedenen Spektralbereichen und eine diese Unter schiede nutzende Weiterverarbeitung der Abbildungen.

Eine besonders hohe mechanische Festigkeit der optischen Elemente ergibt sich, wenn diese in dem verwendeten Spektralbereich durchlässige Prismen sind und die reflektierenden Oberflächen deren Prismenflächen. Bei großen Einfallswinkeln der Strahlen auf die Re flexionsflächen wird vorzugsweise von der Erscheinung der inneren Totalreflexion Gebrauch gemacht.

Die optischen Elemente können bekannte reflektierende Prismen sowohl selbständig als auch in Verbindung mit Spiegeln sein.

Auf die reflektierenden Flächen von optischen Prismen elementen werden, besonders wenn die Einfallswinkel der Strahlen klein sind, zweckmäßigerweise reflek tierende Überzüge aufgebracht.

Die Erfindung wird nachfolgend durch die Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand der beigegebenen Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigt

Fig. 1 schematisch ein Strahlenteilersystem mit ver schiedenen optischen Elementen;

Fig. 2 die Lage der durch das System gemäß Fig. 1 in der Bildebene erzeugten Abbildungen;

Fig. 3 die Längsschnittdarstellung der von den Grenzen eines Objekts ausgehenden und durch ein Objektiv tretenden Strahlenbündel;

Fig. 4 ein Beispiel für eine kritische Lage eines optischen Elements;

Fig. 5 die Längsschnittdarstellung eines Strahlenteiler system mit Sektoren einnehmenden optischen Elementen, die unmittelbar hinter dem Objektiv angeordnet sind;

Fig. 6 die Stirnansicht der optischen Elemente gemäß Fig. 5 vom Objektiv aus gesehen;

Fig. 7 die von dem System gemäß Fig. 5, 6 erzeugten Abbildungen;

Fig. 8 schematisch ein aus Spiegeln bestehendes optisches Element;

Fig. 9 schematisch ein als Prisma ausgebildetes op tisches Element;

Fig. 10 die Längsschnittdarstellung eines Strahlen teilersystems mit optischen Elementen in Form rhombischer Prismen;

Fig. 11 die Stirnansicht der optischen Prismenelemente des Systems gemäß Fig. 10;

Fig. 12 die von dem System gemäß Fig. 10, 11 erzeugten Abbildungen;

Fig. 13 schematisch ein Strahlenteilersystem mit die Lichtströme zur Objektivachse hin versetzenden optischen Elementen;

Fig. 14 schematisch ein Strahlenteilersystem mit einstellbarem Abstand der erzeugten Abbildungen;

Fig. 15 ein optisches Element in einem System mit Angabe der zur Berechnung notwendigen Größen.

Fig. 1 zeigt das Prinzipschema eines Strahlenteilersystems, das von einem Objekt 1 eine Mehrzahl von Abbildungen erzeugt. Das System besteht aus dem Objektiv 2 mit der Achse 3 und drei hinter dem Objektiv angeordneten optischen Elementen 4 mit Reflexionsflächen 5. Die letzteren erzeugen in einer Bildebene 7 liegende Abbildungen 8. Die nur vom Objektiv 2 erzeugte Abbildung 9 liegt entsprechend der Lage des Objekts 1 auf der Objektivachse 3 und in größerem Bildebenenabstand als die unter Mitwirkung der optischen Elemente 4 erzeugten Abbildungen 8.

Die Wirkung der optischen Elemente ist illustriert mittels der achsparallelen Strahlen 6 hinter dem Objektiv. Jedes optische Element bewirkt eine parallele Versetzung aller auf es auftreffenden Strahlen parallel zu sich selbst und die von ihm bewirkte seitliche Versetzung dieser achsparallelen Strahlen entspricht der seitlichen Verlagerung der unter seiner Mitwirkung erzeugten Abbildung 8. Die optischen Achsen der von den optischen Elementen versetzten Teillichtströme sind mit dem Bezugszeichen 11 bezeichnet.

Die Eintrittsfenster der optischen Elemente 4 befinden sich in einem in der Längsschnittdarstellung von Fig. 1 schraffierten, von Grenzen 10 berandeten, etwa dreieckförmigen Bereich hinter dem Objektiv, der Informationszone genannt werden kann und nach folgend an Hand von Fig. 3 weiter erläutert wird.

Wenn in dem optischen Element zwei bzw. eine gerade Anzahl von Reflexionen stattfinden, so wird hierdurch die Lage der Abbildung 8 nicht gegenüber der Lage verändert, die die nur vom Objektiv erzeugte Abbildung 9 ohne optisches Element einnimmt. Finden drei bzw. eine ungerade Anzahl von Reflexionen im optischen Element statt, so bewirkt dies eine Drehung, die die vom Objektiv bewirkte Drehung aufhebt und es wird eine lagerichtige Abbildung erhalten.

Die Konstruktion aller optischen Elemente ist so, daß die von ihnen bewirkten Axialverschiebungen der Bildebene ihrer Abbildungen 8 gegenüber der Bildebene der nur vom Objektiv ohne Mitwirkung eines optischen Elements erzeugten Abbildung 9 gleich groß sind. Auf diese Weise liegen die Abbildungen 8 in der gemein samen neuen Bildebene 7.

Fig. 2 zeigt, wie die Querversetzungen der Abbildungen 8 in der Bildebene 7 zu denken sind. Die beiden oberen optischen Elemente 4 mit jeweils zwei Reflexionsflächen 5 lassen die vom Objektiv bewirkte Drehung der Abbildung gegenüber der Lage des Objekts unverändert. Das untere optische Element mit drei Reflexionsflächen 5 bewirkt eine Drehung, so daß seine Abbildung 8 lagerichtig erhalten wird.

Fig. 3 dient zur Erläuterung des Begriffs "Informations zone", womit der Bereich hinter dem Objektiv 2 gemeint ist, in dem die vollständige Information über das Objekt 1 vorhanden ist. Diese Zone bildet sich als Dreieck VXE ab.

Die obere Grenzlinie 10 dieser Zone ist der Strahl des von der oberen Grenze des Objekts 1 (Pfeilschwanz) ausgehenden Strahlenbündels, welcher auf der gleichen Seite der Objektivachse als Randstrahl durch das Objektiv 2 tritt. Das von der Objektgrenze Pfeilschwanz ausgehende und durch das Objektiv tretende Strahlen bündel ist mit nach rechts ansteigenden Linien schraffiert und hinter dem Objektiv berandet durch die Randstrahlen XY und VY, welch letzterer Randstrahl die obere Grenzlinie 10 darstellt.

Entsprechend ist die untere Grenzlinie 10 der Infor mationszone der Strahl des von der unteren Grenze des Objekts 1 (Pfeilspitze) ausgehenden Strahlenbündels, welcher auf der gleichen Seite von der Objektivachse als Randstrahl durch das Objektiv 2 tritt. Dieses von der Objektgrenze Pfeilspitze ausgehende und durch das Objektiv tretende Strahlenbündel ist mit nach rechts abfallenden Linien schraffiert und hinter dem Objektiv berandet durch die Randstrahlen VZ und XZ, welch letzterer Randstrahl die untere Grenze 10 der Informationszone darstellt.

Somit bildet sich in der Darstellung von Fig. 3 diese Zone als der hinter dem Objektiv liegende Bereich VEX ab, welcher kreuzweise schraffiert erscheint. Unter Berücksichtigung der vom Objektiv erfaßten zwei Dimensionen des Objekts kann diese Zone beschrieben werden als der Bereich der Überschneidung der Strahlen bündel, die von den Grenzen des Objekts durch das Objektiv verlaufen. In diesem Bereich müssen die Eintrittsfenster der optischen Elemente 4 sich befinden, damit die von ihnen erfaßten Teillichtströme eine vollständige Abbildung des Objekts erzeugen können.

Fig. 4 zeigt den Strahlengang in einem optischen Element, das aus zwei parallel angeordneten Reflexions flächen 5 besteht. Zusammen mit dem Objektiv 2 erzeugt dieses die versetzte Abbildung 8. Das Eintrittsfenster 12 dieses optischen Elements befindet sich in der Informationszone VEX.

Mit diesem optischen Element ergibt sich eine verschie dene Beleuchtungsstärke der erzeugten Abbildung, weil die im Strahlengang zuerst liegende untere Re flexionsfläche den Austritt des Lichtstroms aus dem Austrittsfenster 13 zur Objektivachse 3 hin zunehmend abdeckt. Dies ist illustriert für drei Punkte der von diesem optischen Element erzeugten Abbildung 8, für welche Strahlenbündel eingezeichnet sind, nämlich das in der Pfeilspitze zusammenlaufende schraffierte Strahlenbündel, das in einem mittleren Punkt des Pfeils zusammenlaufende kreuzweise schraffierte Strahlenbündel und ein den Pfeilschwanz erreichender Strahl, der nicht mehr als Strahlenbündel bezeichnet werden kann. Es ist zu sehen, wie der Öffnungswinkel der Strahlenbündel abnimmt und die Ausleuchtung der unteren Grenze - Pfeilschwanz - der Abbildung 8 nur noch sehr gering sein kann. Dennoch wird eine voll ständige Abbildung des Objekts erhalten. Ein größeres Objekt würde nicht mehr vollständig abgebildet; ebenso käme keine vollständige Abbildung zustande, wenn das optische Element in größerem Abstand vom Objektiv 2 angeordnet wäre.

Die Randabschattung der durch das optische Element durchtretenden Strahlenbündel führt somit zu einer Veränderlichkeit der Beleuchtungsstärke der Abbildung, die sich verringert nach Maßgabe der Annäherung der Eintrittsfenster der optischen Elemente in Axial richtung zum Objektiv hin sowie in Radialrichtung zu dessen Achse hin. Hieraus folgt, daß eine Anordnung der optischen Elemente um die Objektivachse, diese berührend, sowie unmittelbar hinter dem Objektiv anzustreben ist. Dies gelingt, wenn die Eintrittsfenster der optischen Elemente die Form von Sektoren haben, deren Spitzen auf der Objektivachse liegen.

In Fig. 5, 6 ist ein Beispiel für ein System mit vier derart angeordneten optischen Elementen dargestellt, wobei Fig. 5 den Axialschnitt und Fig. 6 die Stirnan sicht vom Objektiv her zeigt. Die vier Elemente werden von fünf miteinander verklebten Prismen gebildet. Ein erstes zentrales pyramidenförmiges Prisma bildet mit seinen als Spiegel wirkenden vier Prismenflächen, auf die totalreflektierende oder selektivreflektierende Überzüge aufgetragen sind, die ersten Reflexionsflächen 5 aller vier optischen Elemente. Diese reflektieren den auftreffenden Lichtstrom seitwärts nach außen auf die zweiten Reflexionsflächen 5, die von je einem von vier gleichartigen weiteren Peripherieprismen in Form eines gleichschenkligen Prismas gebildet sind, in denen eine Totalreflexion an der inneren Prismenfläche stattfindet. Die Prismenanordnung ist zentralsymmetrisch bezüglich der Objektivachse 3 unmittelbar hinter dem Objektiv 2 angeordnet. Fig. 7 zeigt, wie die von dieser Anordnung erzeugten Ab bildungen 8 zentralsymmetrisch auf den Ecken eines Quadrats liegen.

Fig. 8 und 9 zeigen die einfachsten optischen Elemente von Strahlenteileranordnungen mit zwei Reflexionen. Dabei ist in Fig. 8 ein aus zwei parallel angeordneten und unter einem Winkel ϕ geneigten Spiegeln bestehendes optisches Element sowie ein achsparalleler Strahl 6 und dessen Verlauf ersichtlich. Der von einem Punkt des Objekts 1 ausgehende und nach dem Durchtritt durch das Objektiv 2 parallel zu dessen Achse 3 ver laufende Strahl 6 fällt unter dem Winkel ϕ auf die Reflexionsflächen 5 und erfährt dabei eine Seitenver setzung der Größe r, welche beträgt

r = 2 Δ sin ϕ (1)

wobei Δ der Abstand zwischen den Reflexionsflächen ist.

Die nur vom Objektiv 2 erzeugte Abbildung 9 liegt in einem bestimmten Abstand vom Objektiv. Da der Lichtstrom beim Durchtritt durch dieses optische Element nur reflektiert wird und nicht durch ein Material mit anderem Brechungsindex verläuft, bleibt die geometrische Länge des Strahlenwegs bis zur Bild ebene gleich und aus der zweimaligen Reflexion ergibt sich eine Annäherung der Ebene der unter Mitwirkung des optischen Elements erzeugten Abbildung 8 gegenüber der Ebene der Abbildung 9 um Δf, welche beträgt

Δf = 2Δ cos ϕ. (2)

Die Querversetzung r der mit dem optischen Element erzeugten Abbildung 8 gegenüber der ohne optisches Element erzeugten Abbildung 9 erfolgt in der durch die Objektivachse 3 gehenden Radialebene, in der der Neigungswinkel ϕ der Reflexionsflächen 5 liegt. Werden für jede Abbildung 8 die gewünschte Seiten versetzung r_i sowie die für alle Abbildungen 8 ge meinsame Versetzung der Bildebene um den Betrag Δf vorgegeben, so können die Parameter sowie die Orien tierung jedes optischen Elements zur Erfüllung dieser Bedingungen ermittelt werden aus den Beziehungen

Δ_i = 0,5 (r_i² + Δf²)^0,5
tg ϕ₁ = r_i/Δf (3)

Die Anwendung dieser Beziehungen gestattet die Kon struktion eines Strahlenteilersystems, das die er zeugten Abbildungen 8 in einer gemeinsamen, um Δf axial versetzten Bildebene um verschiedene,weitgehend willkürlich wählbare Beträge r_i in einer gewünschten Richtung seitlich versetzt.

Fig. 9 zeigt ein optisches Prismenelement mit zwei parallelen Reflexionsflächen 5, wobei die Eintritts fläche und die Austrittsfläche rechtwinklig zur Objek tivachse 3 orientiert sind. Dabei ergibt sich eine Seitenversetzung r der erzeugten Abbildung 8 wie auch bei dem optischen Element gemäß Fig. 8 gemäß der Be ziehung (1), jedoch ist bezüglich der Axialversetzung der Bildebene um Δf die optische Eigenschaft des Prismenwerkstoffs zu beachten. Die Brechung der Strahlen beim Eintritt und Austritt an den entsprechenden Prismenflächen führt dazu, daß der Vereinigungspunkt der Strahlen eines von einem Objektivpunkt ausgehenden Strahlenbündels, d. h. der entsprechende Bildpunkt und damit die Bildebene in einem größeren Abstand vom Objektiv liegt. Bei Betrachtung der achsennahen Paraxialstrahlen ergibt sich eine zusätzlich zu berücksichtigende axiale Versetzung der Bildebene vom Objektiv weg um D(n-1)/n, wobei D die gesamte geometrische Weglänge des Strahls innerhalb des Prismas und n der Brechungsindex des Prismenwerk stoffs ist, damit wird

Δf = 2 Δ cos ϕ - D (n-1)/n. (4)

Bei gewissen Kombinationen der Parameter n und ϕ kann die unter Mitwirkung eines optischen Prismen elements erzeugte Abbildung in einer Bildebene liegen, die weiter vom Objektiv entfernt ist als die Bildebene der nur durch dieses Objektiv erzeugten Abbildung. Wenn die Lage der Bildebene, also der Wert Δf und die Lage der Abbildungen 8 in dieser, also die Werte r_i, vorgegeben sind, können für ver schiedene Werte von n die Parameter Δ_i und ϕ_i von optischen Prismenelementen errechnet werden, die den Vorgaben genügen.

Fig. 10, 11 zeigen ein Strahlenteilersystem mit Prismenelementen, welches sechs Abbildungen erzeugt. Die optischen Elemente 4 sind sechs miteinander verklebte rhombische Prismen in zentralsymmetrischer Verteilung aus Kreissektoren, die in unmittelbarer Nähe hinter dem Objektiv 2 angeordnet sind. Die Ver teilung der Abbildungen 8 in der Bildebene 7 auf den Ecken eines regelmäßigen Sechsecks ist in Fig. 12 gezeigt.

An Hand von Fig. 4 ist gezeigt worden, wie die Be leuchtung der unter Mitwirkung eines optischen Ele ments erzeugten Abbildung zur Objektivachse hin abnehmen kann. Dies gilt für den Fall, wenn das optische Element eine Querversetzung der Abbildungen von der Objektivachse weg bewirkt. Dies tritt bei den optischen Elementen der in Fig. 5, 6 und 10, 11 gezeigten Systeme auf, wo die Abbildungen gemäß Fig. 7 und 12 geometrisch übereinstimmend, aber zur Objek tivachse hin dunkler werdend erhalten werden.

Fig. 13 zeigt ein Strahlenteilersystem mit optischen Elementen, deren Reflexionsflächen 5 die auftreffenden Lichtströme zur Objektivachse 3 hin versetzen, so daß die Beleuchtungsstärke in deren Abbildungen 8 sich umgekehrt verteilt: Hier werden die achsennahen Bereiche heller abgebildet und die Helligkeit nimmt nach außen hin ab.

Die Ungleichmäßigkeiten der Helligkeitsverteilung in Radialrichtung in beiden Erscheinungsformen können bei Bedarf korrigiert werden. Eine optische Möglich keit ist die Anordnung von neutralen Verlauffiltern, beispielsweise vor der Bildebene, deren Durchlaßfähig keit sich in der Radialrichtung so ändert, daß sie die Ungleichmäßigkeit des systembedingten Verlaufs kompensiert. Eine andere Möglichkeit, die sich bei einer elektronischen Bilderfassung und Weiterver arbeitung anbietet, ist die elektronische Kompensa tion der Ungleichmäßigkeit des Helligkeitsverlaufs.

Fig. 14 zeigt ein Strahlenteilersystem mit veränder lichem Abstand zwischen den erzeugten Abbildungen. Die Lichtströme treffen nach dem Durchtritt durch das Objektiv 2 auf erste Reflexionsflächen 5, welche sie auswärts ablenken, und danach auf zweite Refle xionsflächen 5′, die sie in die Einfallsrichtung zurück ablenken. Die optischen Achsen der die Abbil dungen 8 in der Bildebene 7 erzeugenden Teillicht ströme sind mit 11 bezeichnet.

Die zweiten Reflexionsflächen 5′ sind mit Zahnstangen 15, 15′ verbunden, welche an gegenüberliegenden Um fangsstellen eines Zahnrades 14 mit diesem kämmen. Durch Drehung dieses Zahnrades kann der Abstand der zweiten Reflexionsflächen längs des Querastes des Strahlengangs, vorliegend in radialer Richtung von der Objektivachse unter Aufrechterhaltung ihrer symme trischen Lage verändert werden. Eine Auswärtsverschie bung in die gestrichelt eingezeichnete Lage versetzt auch die optischen Achsen in die mit 11′ bezeichneten neuen, weiter von der Objektivachse 3 entfernte Lage, wobei die Abbildungen 8′ jetzt in der näher zum Ob jektiv gelegenen Bildebene 7′ und in dieser entspre chend weiter voneinander entfernt erhalten werden.

In Fig. 15 sind für einen allgemeinen Fall eines Systems mit einem optischen Prismenelement die zur mathematischen Erfassung notwendigen Kenngrößen ein gezeichnet. Ein von einem Punkt des Objekts 1 aus gehender und das Objektiv 2 achsenparallel verlassender Strahl 6 tritt durch das in einem Abstand S vom Ob jektiv gelegene Eintrittsfenster 12 des optischen Elements 4 in dieses ein, in dem mehrere Reflexionen stattfinden und verschiedene Äste des Strahlengangs durch Werkstoffe verschiedener optischer Dichte ver laufen. Der Strahl tritt aus dem Austrittsfenster 13 des optischen Elements unter einem zulässigen kleinen Winkel α zur Objektivachse 3 aus, den demgemäß auch die optische Achse 11 des Teillichtstroms des optischen Elements aufweist. Die rechtwinklig zur optischen Achse 11 erzeugte Abbildung 8 ist gegen über der nur vom Objektiv erzeugten Abbildung 9 in Querrichtung versetzt, und zwar sowohl auf Grund der stattfindenden Reflexionen als auch auf Grund der Brechungen der Strahlen an den Grenzen optisch verschieden dichter Werkstoffe.

Während der Abstand der nur vom Objektiv erzeugten Abbildung 9 von diesem L beträgt, so liegt die von dieser Anordnung erzeugte Abbildung 8 in einem Ab stand l, der für paraxiale Strahlen angegeben werden kann durch die Beziehung:

hierin bedeuten
S - Abmessung des optischen Elements in Axialrichtung,
δ - Abstand zwischen dem Objektiv und dem Eintritts fenster des optischen Elements,
D - geometrische Weglänge des achsparallel einfallen den Strahls innerhalb des optischen Elements,
i - laufende Nummer des Werkstoffs, durch das der Lichtstrom innerhalb des optischen Elements verläuft,
n_i - absoluter Brechungsindex des i-ten Werkstoffs,
d_i - geometrische Weglänge des Strahls im i-ten Werkstoff, wobei diese Weglänge für alle achsparallel in das Element eintretenden Strahlen gleich ist und die Grenzflächen zwischen den optisch verschiedenen Werkstoffen rechtwinklig zu diesen Strahlen liegen,
N - Anzahl der optisch verschiedenen Werkstoffe auf dem Weg des Lichtstroms.

Die in Fig. 15 im Abstand 1 vom Objektiv liegende Bildebene 7 geht durch das Zentrum der Abbildung 8, d. h. daß hier die Abbildungsschärfe am besten ist, während zu den Grenzen der Abbildung hin eine Un schärfe auftritt, die jedoch bei kleinen Winkeln (α < 10°) zulässig ist. Die Hinnahme eines Winkels α zwischen der optischen Achse 11 der Teil lichtströme der optischen Elemente und der Objektiv achse 3 bzw. der Normalen zur Bildebene 7 kann zweckmäßig sein, um auf diese Weise den Abstand der Abbildungen 8 in Querrichtung zu ändern. Der Blick auf Fig. 15 zeigt, daß bei einer Axialver schiebung des optischen Elements und damit einer Änderung des Abstands δ zwischen diesem und dem Objektiv die optische Achse 11 des Teillichtstroms ihren Schnittpunkt mit der Bildebene 7 und damit die Lage der Abbildung 8 ändert. Aus der Formel (5) er gibt sich gleichzeitig, daß dabei der bildebenen Ab stand l sich praktisch nicht ändert, im Gegensatz zur Ausbildung gemäß Fig. 14, wo dies der Fall ist.

Es ist noch anzumerken, daß auch ein optisches Ele ment verwendet werden kann, das seine Abbildung auf der Objektivachse 3 liegend, jedoch in Axialrichtung um den erforderlichen Betrag versetzt, erzeugt. Mittels eines Abbe-Prismas oder Pehan-Prismas kann der aufge fangene Lichtstrom nach mehreren Reflexionen in die Achse seines Einfalls zurückgelenkt werden. Auf diese Weise kann auch eine in Querrichtung nicht versetzte Abbildung erhalten werden, also dort, wo die Objektiv achse 3 die Bildebene 7 schneidet.

Ein Beispiel für eine mögliche Anwendung des vorge schlagenen Strahlenteilersystems ist die Verwendung in einem Mikroskop zur Durchführung von biologischen Untersuchungen, insbesondere zur Feststellung der Verteilung bestimmter Stoffe im Untersuchungsobjekt, beispielsweise von Ca²⁺ oder eines bestimmten Farb stoffs. Die Konzentration eines interessierenden Stoffes an jeder Stelle des Objekts ist eindeutig bestimmt durch das Verhältnis der Intensitäten der Fluoreszenzstrahlung in bestimmten engen Spektral bereichen. Bei Anordnung eines Strahlenteilers, bei spielsweise gemäß Fig. 5, 9 oder 13, zwischen der letzten Linse des Mikroskops und einem Bildempfänger können mit diesem mehrere Abbildungen empfangen werden. Wenn in die einzelnen Strahlengänge Interferenzfilter mit verschiedenen Durchlaßbereichen eingesetzt werden, so können die erzeugten Abbildungen in verschiedenen Spektralbereichen erhalten werden. Durch Vergleich der Strahlungsintensität in gleichen Stellen des Objekts entsprechenden Abbildungspunkten in den ver schiedenen Abbildungen ergibt sich die Verteilung des Verhältnisses der einzelnen Spektralanteile der vom Objekt empfangenen Strahlung über das gesamte Ob jekt und damit die Verteilung der Konzentration des intressierenden Stoffes im Objekt.

Claims

1. Optisches Strahlenteilersystem zur Erzeugung einer Mehrzahl von reellen Abbildungen (8) eines Objekts (1) in einer Ebene (7) mit einem Objektiv (2) und mit hinter diesem angeordneten, den Strahlen gang an ebenen Reflexionsflächen (5) ablenkenden optischen Elementen (4), dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Elemente einen Teillichtstrom innerhalb des Bereichs der Über schneidung (VEX) der Strahlenbündel auffangen, die von den Grenzen des abzubildenden Objekts (1) durch das Objektiv (2) verlaufen diesen Teillichtstrom mittels wenigstens zweier ebener Reflexionsflächen (5) seitlich ablenken und wieder in die ursprüngliche Richtung wenigstens ungefähr zurücklenken, wobei die von allen optischen Elementen verursachte Änderung (Δf) des Abstandes (L; l) der Bildebene (9; 7) gleich ist.

2. Strahlenteiler nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die optischen Elemente (4) den Ge samtquerschnitt des Lichtstroms hinter dem Objektiv (2) in Sektoren aufteilen, deren Spitzen auf der Achse (3) des Objektivs (2) liegen, und jedes den Teillichtstrom dieses Sektors ablenkt.

3. Strahlenteiler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (δ) zwischen dem Eintrittsfenster jedes optischen Elements (4) und dem Objektiv (2) Null beträgt.

4. Strahlenteiler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionsflächen der optischen Elemente Spiegel sind.

5. Strahlenteiler nach Anspruch 4, dadurch ge kennzeichnet, daß wenigstens einer der Spiegel wenigstens eines optischen Elements spektralselektiv wirkt.

6. Strahlenteiler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Elemente Prismen aus lichtdurchlässigem Material sind.

7. Strahlenteiler nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch optische Elemente in Form rhombischer Prismen (Fig. 10, 11).

8. Strahlenteiler nach einem der Ansprüche 6 oder 7, gekennzeichnet durch einen reflektierenden Über zug der reflektierenden Prismenflächen.

9. Strahlenteiler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf wenigstens eine der Reflexionsflächen (5) wenigstens eines optischen Elements (4) ein se lektiv reflektierender Überzug aufgebracht ist.

10. Strahlenteiler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zwei optische Elemente, deren jedes aus einer ersten, einen Teillichtstrom seitwärts ablenkenden Re flexionsfläche (5) und einer zweiten, den Teil lichtstrom zurück parallel zur Einfallsrichtung ablenkenden Reflexionsfläche (5′) besteht, die symmetrisch zur Objektivachse (3) angeordnet sind, wobei die Abstände von der Objektivachse (3) zu den zweiten Reflexionsflächen (5′) unter Aufrecht erhaltung der Symmetrie veränderlich sind.

11. Strahlenteiler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß jede zweite Reflexionsfläche (5′) mit einer Zahnstange (15, 15′) verbunden ist und die Zahnstangen mit einem Zahnrad (14) an ge genüberliegenden Umfangsstellen desselben in Eingriff stehen.