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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Homogenisierung von Licht, umfassend einen Lichtleiter.
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Im Sinne der Erfindung umfasst der Begriff Licht jede mit optischen Mitteln manipulierbare elektromagnetische Strahlung, also insbesondere ultraviolette, sichtbare und infrarote Strahlung. Ein Lichtleiter umfasst zumindest einen Kern und einen nach innen (zum Kern hin) reflektierenden Mantel.
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Der Grad der Homogenisierung von Licht hat einen wesentlichen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit und Güte vieler optischer Systeme in der Produktion, Messtechnik und Forschung, insbesondere beim Einsatz optischer Spektrometer. Mehr Licht und eine homogenere (gleichförmigere) Ausleuchtung der Probe resultieren unmittelbar in einem höheren Durchsatz, einer besseren Ausbeute und niedrigeren Kosten. Um eine hohe Messgenauigkeit zu erreichen, wird typischerweise eine gleichmäßige Intensitätsverteilung benötigt.
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Verschiedene Arten von Lichtquellen können auf unterschiedliche Arten mit jeweils unterschiedlichen Abstrahlcharakteristika strahlen. Bei fast allen Lichtquellen oder damit beleuchteten reflektierenden oder transmittierenden Proben ist es daher notwendig, das abgestrahlte Licht zu homogenisieren, um die Probe gleichmäßiger auszuleuchten. Die Homogenisierung von Licht aus Lichtquellen wie Glühlampen oder Gasentladungslampen ist im Prinzip relativ einfach, da diese zumindest in der Abstrahlrichtung bereits weitgehend homogen sind, und nur in der Fläche homogenisiert werden müssen. Zu diesem Zweck wird das sogenannte Köhlersche Beleuchtungsprinzip verwendet. Dabei wird die Lichtquelle mit homogener Winkelverteilung ins Unendliche abgebildet, womit eine homogene Lichtverteilung auf der zu beleuchtenden Probe erzeugt wird. Die Winkelverteilung der Probenbeleuchtung enthält aber beispielsweise bei Verwendung einer Glühlampe die Wendelstruktur der Glühlampe, so dass eine zusätzliche Homogenisierung notwendig sein kann.
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Vorrichtungen zur Homogenisierung von Licht sind aus dem Stand der Technik bekannt, weisen jedoch Nachteile auf. Streuscheiben können zur Homogenisierung von Licht eingesetzt werden, wie dies beispielsweise in
DE 198 32 665 A1 und
DE 196 32 665 A1 beschrieben ist. Sie bestehen beispielsweise aus einem transparenten Substrat, auf das ein Raster aus kleinen lichtundurchlässigen Flächenelementen aufgebracht ist, beispielsweise einem aufgedampften oder aufgesputterten Punktraster. Das durchfallende Licht wird hierbei durch scharfe Strukturen der Streuscheibe gestreut. Die Homogenisierung von Licht mit Hilfe von Streuscheiben gelingt auf diese Weise aber lediglich in der Abstrahlrichtung und nicht in einer Fläche (Abstrahlebene) senkrecht zur Abstrahlrichtung des Lichts. Zusätzlich verursachen Streuscheiben durch die hauptsächlich ungerichtete Streuung hohe Intensitätsverluste. Diese Intensitätsverluste und die nur teilweise Homogenisierung reichen zur hochgenauen Messung mit einem Spektrometer in der Regel nicht aus.
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Alternativ werden zur Homogenisierung von Licht Lichtleiter oder Lichtleiterplatten verwendet, wie beispielsweise in der gattungsbildenden
EP 0 065 343 A2 beschrieben. Lichtleiter werden beispielsweise in Beleuchtungssystemen von Mikroskopen oder Inspektionssystemen als Homogenisierer verwendet. Ein Lichtleiter – Lichtwellenleiter, Wellenleiter oder auch Lichtstab genannt – liefert eine hochgradig homogene Beleuchtung, allerdings lediglich in der Abstrahlebene, nicht in der Abstrahlrichtung. Eine solche nur teilweise Homogenisierung reicht zur Ausleuchtung eines Spektrometers nicht aus.
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Darüber hinaus können Integratorkugeln – auch Integrationskugeln oder Ulbrichtsche Kugeln genannt – zur Homogenisierung von Licht verwendet werden, beispielsweise wie in
DE 100 10 213 A1 beschrieben. Diese Integratorkugeln sind innen mit hochreflektivem und streuendem Material versehen und weisen Öffnungen zum Lichteintritt und Lichtaustritt auf. Die Öffnungen sind dabei möglichst klein ausgebildet. Die Kugeln sind zudem auf der Innenseite mit Trennwänden (engl. „baffles”) versehen, welche den direkten Transfer von Lichteintrittsöffnung zu Lichtaustrittsöffnung verhindern. Eine Integratorkugel homogenisiert das Licht sowohl in der Abstrahlrichtung als auch in der dazu senkrechten Abstrahlebene. Die Mehrfachreflektion reduziert die Intensität der Lichtstrahlung allerdings erheblich.
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Daher liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabenstellung zugrunde, eine Vorrichtung bereitzustellen, welche es ermöglicht, Licht einer Lichtquelle sowohl in Abstrahlrichtung als auch in einer dazu senkrechten Abstrahlebene mit geringerem Aufwand, insbesondere effizienter – das heißt mit geringerem Lichtverlust, als bisher zu homogenisieren.
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Die Erfindung löst die Aufgabe durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Homogenisieren von Licht weist zwei Lichtleiter auf. Zwischen den Lichtleitern ist eine Sammeloptik angeordnet. Einer oder jeder der Lichtleiter weist an einem der Sammeloptik zugewandten Ende einen optischen Trichter auf. Eine Kernquerschnittsfläche einer der Sammeloptik zugewandten Stirnseite des Trichters des ersten Lichtleiters ist in einem ersten Fokus (erste Pupille, kann auch als Eintrittspupille bezeichnet werden) der Sammeloptik angeordnet. Eine Kernquerschnittsfläche einer der Sammeloptik zugewandten Stirnseite des Trichters des zweiten Lichtleiters ist in einem zweiten Fokus (zweite Pupille, kann auch als Austrittspupille bezeichnet werden) der Sammeloptik angeordnet. Licht von einer Lichtquelle oder einer reflektierenden oder transmittierenden Probe ist dabei an dem der Lichtquelle zugewandten Ende beispielsweise des ersten Lichtleiters in diesen Lichtleiter einspeisbar. Das Licht gelangt dann über die Sammeloptik in den zweiten Lichtleiter. Die Vorrichtung kann bezüglich des optischen Aufbaus symmetrisch ausgebildet sein.
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Durch den Vorgang der Reflexion an der Innenseite des Mantels (in der Regel Totalreflexion) kann ein Lichtleiter Licht, das aus einer inhomogenen Quelle austritt, homogenisieren, indem es ständig an einer Grenzfläche des Lichtleiterkerns reflektiert wird. Dadurch vermischen sich die einzelnen Lichtstrahlen und das Licht tritt homogener aus dem Lichtleiter aus als es eintritt. Um eine maximale Homogenisierung zu erzielen weist der Lichtleiter beispielsweise quadratische oder sechseckige Querschnitte oder scharfe Kanten auf. Allerdings bleibt die Winkelverteilung des Lichtes inhomogen, wenn sie am Eingang des Lichtleiters inhomogen ist.
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Aus dem ersten („vorderen”) Lichtleiter austretendes Licht wird von der Sammeloptik aufgrund der Anordnung der Stirnflächen der Lichtleiter in den Pupillen kollimiert – dazu muss die Austritts-Stirnfläche des ersten Lichtleiters zumindest näherungsweise in der vorderen Brennebene der Sammeloptik stehen – und weist beim Eintritt in den zweiten („hinteren”) Lichtleiter eine maximale Unschärfe und damit eine maximale Gleichverteilung im Winkel auf. Die Sammeloptik wandelt somit die homogene Lichtverteilung in der Austrittsfläche des Lichtleiters in eine homogene Winkelverteilung in der hinteren Brennebene der Sammeloptik um. Dazu muss die (vordere) Stirnseite des hinteren Lichtleiters zumindest näherungsweise in der (hinteren) Brennebene der Sammeloptik angeordnet sein. Bei einer einfachen Linse als Sammeloptik ist dies aufgrund von Farblängsfehlern nur für eine Wellenlänge exakt erfüllbar. Zweckmäßig ist daher eine farbkorrigierte Optik, beispielsweise ein Linsensystem.
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Der hintere Lichtleiter dient der (weiteren) Homogenisierung des Lichts in der Austrittsfläche. Wenn die Winkelverteilung des Lichts am Eingang des hinteren Lichtleiters bereits homogen ist, ist sie am Ausgang auch homogen. Damit ist die Lichtleistung am Ausgang des hinteren Lichtleiters sowohl in der Fläche als auch im Winkel homogen verteilt.
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Vorteilhafterweise weist einer oder jeder der Lichtleiter an seinem der Sammeloptik zugewandten Ende einen optischen Trichter – auch Taper oder Kegel genannt – auf, welcher die jeweilige Stirnseite des betreffenden Lichtleiters mit der betreffenden Kernquerschnittsfläche bereitstellt. Der Durchmesser der stirnseitigen Kernquerschnittsfläche des Trichters ist vorzugsweise deutlich größer als der Durchmesser des Kerns des an den Trichter angeschlossenen Lichtleiters. Die numerische Apertur der stirnseitigen Kernquerschnittsfläche des Trichters ist in der Regel kleiner als die numerische Apertur des Lichtleiters, dabei bleibt beispielsweise das Produkt aus Durchmesser und numerischer Apertur über den Trichter und den restlichen Lichtleiter hinweg annähernd konstant. Ohne Trichter ergeben sich insgesamt kurze Brennweiten für die Sammeloptik. Derartige Linsen sind bei manchen Anwendungen nur schwer einzubinden, schwierig in der Handhabung oder gar nicht erhältlich. Durch Verwendung je eines Trichters an Enden der beiden Lichtleiter wird der Durchmesser der Lichteintrittsfläche erhöht und gleichzeitig die Numerische Apertur reduziert. Durch die Trichter können unterschiedliche eingangs- und ausgangsseitige Lichtleiter aneinander angepasst werden. Um Lichtverluste gering zu halten, ist es vorteilhaft, dass eine stirnseitige Kernquerschnittsfläche des Trichters am ersten Lichtleiter gleich der stirnseitigen Kernquerschnittsfläche des Trichters am zweiten Lichtleiter ist und die numerische Apertur der Trichterenden zumindest näherungsweise gleich sind. Durch beide Effekte kann die notwendige Brennweite der zu verwendenden Linse erhöht werden.
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Somit ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Homogenisierung in der Abstrahlrichtung und der dazu senkrechten Abstrahlebene mit geringem Aufwand.
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Der Trichter kann dabei als Pyramidenstumpf oder Kegelstumpf ausgebildet sein. Das verjüngte Ende des Trichters ist dabei vorzugsweise derart ausgebildet, dass es auf den betreffenden Lichtleiter und insbesondere auf den lichtführenden Kern des Lichtleiters abgestimmt ist.
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Das aus dem anderen Lichtleiter austretende Licht wird dabei von der Sammeloptik in den am Lichtleiter angebrachten Trichter eingespeist oder eingekoppelt. Das in den Trichter eintretende Licht wird dabei in den Kern des an den Trichter sich anschließenden zweiten Lichtleiters eingespeist oder eingekoppelt.
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Weiterhin ist jeweils das der Sammeloptik zugewandte Ende des betreffenden Trichters erweitert gegenüber dem (breiter ausgebildet als das) von der Sammeloptik abgewandte Ende. Damit ergibt sich eine Trichterform, wobei eine Grenzfläche des Trichters zum Freistrahl einen größeren Durchmesser aufweist als der Kern des Lichtleiters abseits des Trichters. Der Trichter kann einstückig mit dem Lichtleiter hergestellt oder schlüssig mit dem Lichtleiter verbunden sein.
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Die Trichter sind zweckmäßigerweise jeweils derart ausgebildet, dass bei jedem Auftreffen des Lichts an einer Wand des Trichters ein Abstrahlwinkel des Lichts um den (halben) Öffnungswinkel des Pyramidenstumpfs beziehungsweise Kegelstumpfs verringert wird. Durch einen solchen Lichtleiter wird das Licht nicht nur homogener sondern es wird auch der maximal mögliche Abstrahlwinkel des ersten Lichtleiters verringert. Sind beide der Sammeloptik zugewandten Lichtleiterstirnseiten mit Trichtern versehen, weitet der Trichter am in Lichtrichtung hinteren Lichtleiter die vorher durch den Trichter am vorderen Lichtleiter eingeengte Winkelverteilung wieder auf, so dass der hintere Lichtleiter mit dem maximal möglichen Abstrahlwinkel ausgeleuchtet wird. Das maximiert die Übertragungseffizienz zwischen den Lichtleitern.
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Vorzugsweise ist eine Brennweite der Sammeloptik gleich dem Quotienten vom halben Durchmesser der in dem betreffenden Fokus angeordneten (stirnseitigen) Kernquerschnittsfläche und der numerischen Apertur dieser Kernquerschnittsfläche. Auf diese Weise wird die Apertur des Lichtleiters optimal ausgenutzt, so dass ein maximaler Anteil des aus dem Lichtleiter austretenden Lichts kollimiert beziehungsweise ein maximaler Anteil des von der Sammeloptik kollimierten Lichts in den Lichtleiter eingekoppelt wird. Die bezüglich der Sammeloptik eingangsseitigen und ausgangsseitigen Lichtleiterstirnseiten sind zumindest näherungsweise im eingangs- beziehungsweise ausgangsseitigen Fokus der Sammeloptik positioniert. Damit wird die Abstrahlung aller Punkte der Lichtquelle in einer Richtung auf einen Punkt in der Kernquerschnittsfläche fokussiert. Die Abstrahlung eines Punktes in beliebiger Richtung wird auf die Kernquerschnittsfläche verteilt, trifft jedoch in einem Winkel auf diese auf. Dies ist dann der Fall, wenn die Brennweite der Sammeloptik zumindest näherungsweise gleich dem Verhältnis vom halben Durchmesser der Lichteintrittsfläche und der numerischen Apertur der Lichteintrittsfläche ist, wobei die numerische Apertur dabei für Lichtleiter typischerweise zwischen 0,1 und 0,5 liegt. Die derartig eingestellte Brennweite ermöglicht eine hohe Lichtintensität, da das gesamte Licht der Kernquerschnittsfläche des vorderen Lichtleiters auf die Kernquerschnittsfläche des hinteren Lichtleiters abgebildet wird. Das ermöglicht einen hohen Homogenisierungsgrad bei gleichzeitig hoher Lichtintensität und damit die effiziente Nutzung des von der Lichtquelle abgestrahlten Lichts.
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Besonders bevorzugt sind Ausgestaltungen, in denen die Kernquerschnittsflächen der beiden der Sammeloptik zugewandten Stirnseiten eine identische Größe aufweisen. Solche Ausgestaltungen können mit geringstem Aufwand bereitgestellt werden.
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Zweckmäßigerweise sind die Kernquerschnittsflächen, insbesondere die Stirnseiten, so angeordnet, dass ihre optischen Achsen parallel zu einer optischen Achse der Sammeloptik, insbesondere auch koaxial zueinander, weiter insbesondere auch koaxial mit der optischen Achse der Sammeloptik, sind. Dadurch wird die Übertragungseffizienz zwischen den Lichtleitern maximiert.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Sammeloptik als optische Linse ausgebildet. Bei der optischen Linse ist die Brennweite gleich dem Abstand eines Brennpunkts von einer Linsenhauptebene. Das ermöglicht die Bereitstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit geringem Aufwand. Die Brennweite der Linse ist dabei vorzugsweise gleich einem Verhältnis von einem halben Durchmesser der Lichteintrittsfläche und einer numerischen Apertur der Lichteintrittsfläche.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Sammeloptik als optischer Hohlspiegel ausgebildet. Die Brennweite ist dabei gleich dem Abstand des Brennpunkts vom Spiegelscheitel. In einer Ausführungsform ist der Hohlspiegel als sphärischer Hohlspiegel ausgebildet. Der sphärische Hohlspiegel stellt ein Wandsegment einer Kugel dar. Die optischen Eigenschaften des Hohlspiegels werden durch einen Radius der Kugel bestimmt. Der Brennpunkt liegt in etwa auf halbem Weg zwischen einem Zentrum der Kugel und dem Hohlspiegel. Damit ist die Brennweite eines Hohlspiegels die Hälfte des Kreisradius der Kugel. Allerdings erfolgt die Vereinigung der Lichtstrahlen dort nur unvollkommen. Die Lichtstrahlen weisen in der Nähe des Fokus eine Katakaustik auf. Dies wird auch sphärische Aberration genannt. In vielen Anwendungen sind solche Abbildungsfehler tolerierbar im Hinblick auf die einfache und kostengünstige Herstellung des sphärischen Hohlspiegels.
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Bei Anwendungen die einen höheren Anspruch an die Abbildung stellen und nur geringe Abbildungsfehler erlauben, beispielsweise die sphärische Aberration oder einen Astigmatismus, können asphärische Hohlspiegel verwendet werden. Wie bereits beschrieben ist die sphärische Aberration ein Abbildungsfehler des sphärischen Spiegels und tritt bei einem asphärischen insbesondere bei einem Parabolspiegel nicht auf. Bei dem Astigmatismus werden keine Brennpunkte sondern Brennlinien abgebildet. Weiterhin kann Licht in unterschiedlichen Ebenen entlang der Abstrahlrichtung unterschiedliche Brennpunkte oder Brennlinien aufweisen. Dies wird jeweils durch die Verwendung eines asphärischen Hohlspiegels teilweise oder vollständig ausgeglichen oder verhindert.
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Der Abbildungsfehler kann weiterhin durch die Verwendung eines elliptisch ausgebildeten Trichters ausgeglichen oder teilweise vermindert werden. Vor und hinter Brennebenen des in unterschiedlichen Ebenen entlang der Abstrahlrichtung abgegebenen Lichts bildet sich statt eines Kreises ein Oval ab, da jedes Strahlenbündel einer Ebene zur Ellipse wird und in jedem Punkt einen anderen Öffnungswinkel hat. Dies wird durch einen elliptisch ausgebildeten Trichter ausgeglichen.
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Werden optisch unterschiedliche Lichtleiter verwendet können die Eigenschaften der Lichtleiter an die gewünschte Homogenisierung oder eine Isolierung von Licht mit bestimmten Eigenschaften, wie Polarisation oder Wellenlänge, ausgewählt oder gefiltert werden, jedoch ist eine Anpassung oder ein Abgleichen der Trichter auf annähernd gleiche Flächen und der entsprechenden numerischen Apertur erforderlich.
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Zweckmäßigerweise kann jeder Trichter als jeweiliger Lichtleiter mit einem Kern und einem Mantel ausgebildet sein und die Kernquerschnittsfläche des jeweiligen Trichters gleich einem größten Durchmesser des betreffenden Kerns sein, insbesondere mit einstückiger Ausbildung von Trichter und betreffendem Lichtwellenleiter. Weitere Ausgestaltungen des Trichters können teilweise Spiegelanordnungen vorsehen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht also eine homogene Ausleuchtung einer Probe oder eines Spektrometers mit einem in der Abstrahlrichtung und in der dazu senkrechten Ebene homogenisiertem Licht ohne wesentliche Intensitätsverluste des Lichts.
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Die Erfindung wird in weiteren Einzelheiten anhand des nachfolgenden Textes mit Bezug auf bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Figuren näher erläutert.
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Es zeigen
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1 Messvorrichtungen mit einer Vorrichtung zur Homogenisierung,
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2 eine Ausführungsform der Vorrichtung mit einer Linse und zwei Lichtleitern,
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3 eine Ausführungsform der Vorrichtung mit einer Linse und zwei mit Trichtern versehenen Lichtleitern, und
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4 eine Ausführungsform der Vorrichtung mit einem Hohlspiegel und zwei Lichtleitern.
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Die Bezugszeichen und deren Bedeutung sind in der Bezugszeichenliste zusammengefasst. Im allgemeinen bezeichnen dieselben Bezugszeichen dieselben Teile.
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1 zeigt in schematischen Darstellungen zwei Messvorrichtungen 8 mit einer Vorrichtung 1 zur Homogenisierung von Licht. In 1A dient die Vorrichtung 1 zur Homogenisierung des Beleuchtungslichts für die Probe P. In 1B dient die Vorrichtung 1 zur Homogenisierung des von der Probe P remittierten Probenlichts. Die Messvorrichtung 8 umfasst jeweils ein Spektrometer 2, eine Lichtquelle 3, einen ersten Lichtleiter 4, auch Eingangslichtleiter genannt, einen zweiten Lichtleiter 14, auch Ausgangslichtleiter genannt, und beispielsweise eine Linse als Sammeloptik 5 mit einer Brennweite. Die Lichtquelle 3 speist in 1A beispielsweise über eine Einkoppeloptik Licht in den ersten Lichtleiter 4 und weiter über die Sammeloptik 5 in den Lichtleiter 14 ein. Die Lichtleiter 4 und 14 homogenisieren das von der Lichtquelle 3 ausgehende Licht, wobei die Lichtleiter 4 das Licht in einer zur Abstrahlrichtung senkrechten Abstrahlebene flächig homogenisieren und die Sammeloptik 5 die Abstrahlrichtung des Lichts homogenisiert. Entsprechend wird in 1B beispielsweise mittels einer Einkoppeloptik Probenlicht in den ersten Lichtleiter 4 und über die Sammeloptik 5 in den zweiten Lichtleiter 14 eingekoppelt, so dass es ebenfalls zu einer Homogenisierung der Abstrahlrichtung und der flächigen Lichtverteilung kommt, bevor das Probenlicht in das Spektrometer 2 eingekoppelt wird.
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2 zeigt schematisch Details einer Ausführungsform der Vorrichtung 1 mit einer Linse als Sammeloptik 5 und zwei Lichtleitern 4, 14. Die beiden beispielsweise gleichartigen Lichtleiter 4, 14 umfassen jeweils einen Kern 41, 141 und einen Mantel 42, 142 zur Übertragung des Lichts. Das Licht tritt aus eine Kernquerschnittsfläche 43 an der Stirnseite des ersten Lichtleiters 4 aus und gelangt entsprechend einer numerischen Apertur des ersten Lichtleiters 4 gemäß dem Strahlengang 44 auf die Sammeloptik 5.
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Die Sammeloptik 5 kollimiert das Licht gemäß dem Strahlengang 144 auf eine Querschnittsfläche 143 an der Stirnseite des zweiten Lichtleiters 14. Diese Querschnittsfläche 143 weist einen Durchmesser 20 auf, der einem Durchmesser des Kerns 141 des Lichtleiters 14 entspricht. Eine Linsenmitte 15 der beispielsweise als Linse ausgebildeten Sammeloptik 5 ist in einem Abstand von der Ebene 45 der stirnseitigen Kernquerschnittsfläche 143 des Lichtleiters 14 positioniert und zwar derart, dass die Lichtleiterstirnflächen zumindest näherungsweise sowohl in der eingangs- als auch im ausgangsseitigen Fokalebene der Sammeloptik 5 positioniert sind. Die Brennweite der Sammeloptik 5 ist vorteilhafterweise so ausgebildet, dass die Brennweite der Sammeloptik 5 gleich dem Verhältnis vom halben Durchmesser 10 beziehungsweise 20 der stirnseitigen Kernquerschnittsfläche 43 beziehungsweise 143 und der numerischen Apertur der stirnseitigen Kernquerschnittsfläche 43 beziehungsweise 143 ist. Die Durchmesser 10 beziehungsweise 20 der stirnseitigen Kernquerschnittsfläche 43 beziehungsweise 143 der Lichtleiter 4 beziehungsweise 14 sind klein. Dadurch ergeben sich für die Brennweite der Sammeloptik 5 ebenfalls kleine Werte. Diese Sammeloptik 5 kann dann unter Umständen nur schwer in die Vorrichtung 1 integriert werden oder ist gar nicht als Linse verfügbar.
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3 zeigt daher schematisch eine Vorrichtung 1 mit Lichtleitern 4, 14 und einer als Linse ausgebildeten Sammeloptik 5, wobei die Lichtleiter 4, 14 jeweils mit einem optischen Trichter 7, 17 versehen sind. Ansonsten entspricht die Vorrichtung 1 der in 2 dargestellten Ausführungsform, insbesondere sind die Stirnflächen der Trichter mit den stirnseitigen Kernquerschnittsflächen 43, 143 zumindest näherungsweise im eingangs- und ausgangsseitigen Fokus der Sammeloptik 5 positioniert. Die Lichtleiter 4, 14 können wie dargestellt oval, rund oder kantig ausgebildet sein. Die Trichter 7, 17 sind entsprechend als elliptischer oder runder Kegelstumpf oder Pyramidenstumpf ausgebildet. Die Trichter 7, 17 sind dabei derart an den Lichtleitern 4, 14 angebracht, dass die Seite der Trichter 7, 17 mit dem jeweils größten Durchmesser 10, 20 der Sammeloptik 5 gegenüber liegt. Die stirnseitige Kernquerschnittsfläche 73 des ersten Lichtleiters und die stirnseitige Kernquerschnittsfläche 173 des zweiten Lichtleiters sind durch die pyramiden- oder kegelförmige Ausgestaltung der Trichter 7, 17 entsprechend gegenüber den stirnseitigen Kernquerschnittsflächen 43, 143 der Lichtleiter 4, 14 aus 2 vergrößert.
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Die Trichter 7, 17 sind in der dargestellten Ausführungsform als Lichtwellenleiter mit einem Kern 71, 171 und einem Mantel 72, 172 ausgebildet. Die Kerne 71, 171 der Trichter 7, 17 sind so ausgeformt, dass sie schlüssig mit dem jeweiligen Kern 41, 141 der Lichtleiter 4, 14 verbunden sind. Entsprechendes gilt für die Mäntel 72, 172. Damit ist eine störungsfreie Übertragung des Lichts zu und von den Trichtern 7, 17 gewährleistet. Durch die als Lichtleiter ausgebildeten pyramiden- oder kegelförmigen Trichter 7, 17 wird ein maximal möglicher Abstrahlwinkel der Lichtaustrittsfläche 73 und der maximal mögliche Einstrahlwinkel der stirnseitigen Kernquerschnittsflächen 173 des zweiten Lichtleiters 14 verringert. Durch die verringerten Abstrahl- und Einstrahlwinkel können Intensitätsverluste reduziert oder gar vermieden werden. Die Homogenisierung des Lichts durch die Trichter 7, 17 kann beispielsweise durch besonders lange Lichtwellenleiter 4, 14 erhöht werden. Solche langen Lichtleiter 4, 14 homogenisieren das Licht weiter mit zunehmender Länge.
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4 zeigt schematisch eine Vorrichtung 1 zum homogenen Ausleuchten eines Spektrometers 2 mit zwei Lichtleitern 4, 14 und einer als Hohlspiegel ausgebildeten Sammeloptik 5. Die Brennweite der Sammeloptik 5 ist gleich dem Abstand des Brennpunkts vom Spiegelscheitel 16. Die Sammeloptik 5 ist in der dargestellten Form als asphärischer Hohlspiegel ausgebildet, um Abbildungsfehler zu reduzieren oder zu vermeiden. Die Funktionsweise der Vorrichtung 1 entspricht der Ausbildungsform der 2 und 3 und ist bis auf die Ausgestaltung der Sammeloptik 5 und die Anordnung der Lichtleiter 4, 14 identisch. Der erste Lichtleiter 4 überträgt das Licht einer (nicht abgebildeten) Lichtquelle, wobei das Licht an einer stirnseitigen Kernquerschnittsfläche 73 als Austrittsfläche des Trichters 7 austritt und von der als Hohlspiegel ausgebildeten Sammeloptik 5 kollimiert wird. Die Sammeloptik 5 reflektiert das Licht dabei in Richtung des zweiten Lichtwellenleiters 14, und zwar auf dessen stirnseitige Kernquerschnittsfläche 173 als Lichteintrittsfläche des Trichters 17. Dabei wird das gesamte Licht nahezu ohne Intensitätsverluste von dem ersten Trichter 7 auf den zweiten Trichter 17 übertragen und gleichzeitig ähnlich wie bei der Linse in 2 und 3 homogenisiert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Homogenisierungsvorrichtung
- 2
- Spektrometer
- 3
- Lichtquelle
- 4
- Lichtleiter
- 5
- Sammeloptik
- 7
- Trichter
- 8
- Messvorrichtung
- 10
- Durchmesser
- 14
- Lichtleiter
- 15
- Linsenmittel
- 16
- Spiegelscheitel
- 20
- Durchmesser
- 41
- Kern
- 42
- Mantel
- 43
- Stirnseitige Kernquerschnittsfläche
- 44
- Strahlengang
- 45
- Ebene
- 71
- Kern
- 72
- Mantel
- 73
- Stirnseitige Kernquerschnittsfläche
- 141
- Kern
- 142
- Mantel
- 143
- Stirnseitige Kernquerschnittsfläche
- 144
- Strahlengang
- 171
- Kern
- 172
- Mantel
- 173
- Stirnseitige Kernquerschnittsfläche
- F
- eingangsseitiger Fokus
- F'
- ausgangsseitiger Fokus
- P
- Probe
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19832665 A1 [0005]
- DE 19632665 A1 [0005]
- EP 0065343 A2 [0006]
- DE 10010213 A1 [0007]
