DE102015118790A1

DE102015118790A1 - Anordnung zur spektralselektiven Filterung oder Strahlteilung mit einem Verlaufsfarbfilter

Info

Publication number: DE102015118790A1
Application number: DE102015118790.6A
Authority: DE
Inventors: Ralph Lange; Hubert Wahl; Dieter Huhse; Michael Gölles
Original assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH; Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH; Carl Zeiss AG
Priority date: 2015-11-03
Filing date: 2015-11-03
Publication date: 2017-05-04

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur spektralselektiven Filterung eines optischen Strahlenbündels mit einem Verlaufsfarbfilter (4).
Die Aufgabe der Erfindung, eine neue Möglichkeit zur spektralselektiven Filterung mittels eines Verlaufsfarbfilters (4) zu finden, die eine verbesserte Kantensteilheit für reale optische Strahlenbündel aufweist, wird erfindungsgemäß gelöst, indem eine Strahlformungsoptik (2) vorhanden ist, die die Ausdehnung des auf dem Verlaufsfarbfilter (4) auftreffenden Strahlenbündels (3) in Verlaufsrichtung (41) verkleinert und in Querrichtung des Verlaufsfarbfilters (4) vergrößert, wobei eine Querschnittsfläche (A2) des auf das Verlaufsfarbfilter (4) auftreffenden Strahlenbündels (3) derart angepasst ist, dass sie eine spektrale Zielauflösung bei einer vorhandenen Kantensteilheit in Verlaufsrichtung (41) des Verlaufsfarbfilters (4) und mindestens 3/4 der Querschnittsfläche (A1) des einfallenden Strahlenbündels (1) erreicht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur spektralselektiven Filterung eines optischen Strahlenbündels mit einem Verlaufsfarbfilter, insbesondere zur Farbfilterung und Farbteilung von herkömmlichen runden Strahlenbündeln.
Für eine spektralselektive Farbteilung – oder allgemein – Farbfilterung werden Lichtstrahlenbündel auf ein Verlaufsfarbfilter (LVF – Linear Variable Filter) gerichtet, wobei ein bestimmter Teil des Spektrums durchgelassen und ein anderer Teil gegebenenfalls reflektiert wird. Verlaufsfarbfilter oder Verlaufsfarbteiler sind so aufgebaut, dass sich die Wellenlänge des durchgelassenen oder/und des reflektierten Spektrums kontinuierlich über die Länge des Verlaufsfarbfilters ändert. Das hat zur Folge, dass, je nach Länge des Verlaufsfarbfilters und Durchmesser des Lichtstrahlenbündels, sich an der Filter- oder Teilungsschicht über den Querschnitt des Lichtstrahlenbündels hinweg eine Veränderung der durchgelassenen und/oder reflektierten Wellenlängen ergibt. Damit entsteht der Effekt, dass das Lichtstrahlenbündel nicht ab einer bestimmten Wellenlänge durchgelassen und/oder reflektiert wird, sondern dass es hier einen Bereich gibt, der durch das Verhältnis von der Länge des Verlaufsfarbfilters und dem Durchmesser des Lichtstrahlenbündels bestimmt wird. Darunter leidet die Kantensteilheit der Filterung oder – bei Verwendung mehrerer Filter zur Steigerung der Abschattung – die übertragbare Bündelbreite. Üblicherweise sind Verlaufsfarbfilter für anspruchsvolle Monochromatoren (sog. LVF-Monochromatoren) vorgesehen (siehe bspw. CN 2672679 Y ). Dabei ist stets gewollt, dass lediglich ein sehr schmaler Spalt von dem zu analysierenden Licht quer zur Verlaufsrichtung auf das Verlaufsfarbfilter gerichtet wird. Eine solche Form ist im Allgemeinen, z. B. bei optischen Strahlengängen mit rundem oder elliptischem Bündelquerschnitt, nicht vorhanden.
Des Weiteren sind aus dem Stand der Technik ( US 6 836 349 B2 ; US 6 909 548 B2 ) Anordnungen zur Realisierung durchstimmbarer optischer Filter unter Verwendung von Verlaufsfarbfiltern bekannt. Dabei wird einerseits mittels eines Kippspiegels und einer nachgeordneten Zylinderlinse oder andererseits mittels einer Zylinderlinse und einer nachgeordneten GRIN-Linse eine Fokussierung des auf das Verlaufsfarbfilter einfallenden Strahls in der Verlaufsrichtung des Verlaufsfarbfilters erzeugt und eine reine Kollimation des Strahlenbündels in der wellenlängen-konstanten Richtung des Verlaufsfarbfilters vorgenommen. Dadurch trifft ein elliptisches Strahlenbündel auf dem Verlaufsfarbfilter auf. Dabei ist die kleine Hauptachse der Ellipse an die Kanalbreite des Verlaufsfarbfilters anzupassen, während die große Hauptachse unbedeutend und deshalb unverändert bleibt. Durch die alleinige Fokussierung des Strahlenbündels in Verlaufsrichtung des Verlaufsfarbfilters wird jedoch der störende Einfluss von Fehlern im Schichtsystem des Verlaufsfarbfilters oder von Verunreinigungen (Staub) auf dessen Oberfläche erhöht. Bei der Anwendung von Verlaufsfarbfiltern zum Zwecke von Farbmessgeräten, wie Spektrometern, sind des Weiteren Kombinationsoptiken aus Kunststofffaser, Taper und Zylinderlinse (z. B. US 8 279 441 B2 ) beschrieben, um die Strahlenbündel von mehreren LED zu einer rechteckigen Bündelform umzuformen.
Ferner sind im Stand der Technik noch allgemeine Verfahren zur Strahlformung von Laserstrahlen bekannt, bei denen ein gaußförmiger Laserstrahl in eine Rechteckform überführt wird (z. B. CN 103264067 A ), indem eine oder mehrere asphärische Linsen zum Einsatz kommen.
Nachteilig bei allen vorgenannten Strahlanpassungen ist, dass bei der Umformung der Strahlgeometrie stets mehrere verschiedenartige optische Elemente zusammenwirken, die Justagen und Nachjustagen untereinander und gegenüber dem Verlaufsfarbfilter erfordern. Zudem sind die Anwendungen zumeist auf spektrale Analysen mit direkter Abbildung auf ein Detektorarray beschränkt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Möglichkeit zur spektralselektiven Filterung oder Strahlteilung mittels eines Verlaufsfarbfilters zu finden, die eine verbesserte Kantensteilheit und eine vollständige Wellenlängenselektion für reale optische Strahlenbündel (mit Bündeldurchmessern zwischen 0,5 mm und 20 mm) aufweist.
Die Aufgabe wird bei einer Anordnung zur spektralselektiven Filterung eines optischen Strahlenbündels mit einem Verlaufsfarbfilter, bei der ein rundes einfallendes Strahlenbündel auf einen bestimmten Bereich des Verlaufsfarbfilters gerichtet ist, um eine einstellbare wellenlängenabhängige Kanten- oder Bandpass-Filterung des einfallenden Strahlenbündels zu erreichen, dadurch gelöst, dass eine Strahlformungsoptik zur Anpassung des Bündelquerschnitts des runden einfallenden Strahlenbündels derart vorgesehen ist, dass die Ausdehnung des auf dem Verlaufsfarbfilter auftreffenden Strahlenbündels in Verlaufsrichtung verkleinert und in Querrichtung des Verlaufsfarbfilters vergrößert ist, wobei eine Querschnittsfläche des auf das Verlaufsfarbfilter auftreffenden Strahlenbündels gegenüber einer Querschnittsfläche des einfallenden Strahlenbündels derart angepasst ist, dass sie eine spektrale Zielauflösung bei einer vorhandenen Kantensteilheit in Verlaufsrichtung des Verlaufsfarbfilters erreicht und mindestens 3/4 der Querschnittsfläche des einfallenden Strahlenbündels beträgt.
Vorteilhaft ist die Strahlformungsoptik aus einer konvexen Zylinderlinse und einer konkaven Zylinderlinse zusammengesetzt, wobei die konvexe Zylinderlinse in Querrichtung zum Verlaufsfarbfilter ausgerichtet und die konkave Zylinderlinse in Verlaufsrichtung des Verlaufsfarbfilters angeordnet ist. Zweckmäßig enthält die Strahlformungsoptik in einer ersten Variante mindestens eine kombinierte Zylinderlinse, bei der Eintritts- und Austrittsflächen durch eine konkave Zylinderfläche und eine konvexe Zylinderfläche, deren Zylinderachsen orthogonal zueinander liegen, gebildet sind. Dabei können die unterschiedlichen Krümmungen auf unterschiedlichen Flächen desselben optischen Teils oder zweier verschiedener Teile angebracht sein. Als zweite bevorzugte Variante kann die Strahlformungsoptik wenigstens eine toroidische Linse enthalten, die aus einer Innenkappe eines Ringtorus gebildet ist, die – im Gegensatz zur herkömmlichen torischen Linse (Kappe eines Ringtorus) – aus einem Innenausschnitt („Innenkappe“) eines Ringtorus gebildet wird. In einer dritten Variante weist die Strahlformungsoptik vorteilhaft wenigstens eine hyperboloidische Linse auf, deren Form durch mindestens einen Teil eines einschaligen Rotationshyperboloids gebildet ist.
Zweckmäßig sind Angleichungen der Querschnittsfläche des auf das Verlaufsfarbfilter auftreffenden Strahlenbündels auf mindestens 4/5 der Querschnittsfläche des einfallenden Strahlenbündels vorgesehen. Die Angleichung kann vorzugsweise auch auf mindestens 5/6 oder sogar 7/8 der Querschnittsfläche des einfallenden Strahlenbündels erhöht werden, um sich möglichst weitgehend an die ideale Flächengleichheit anzunähern oder diese auch tatsächlich einzustellen.
Für praktische Anwendungsfälle, bei denen eine weitere Detektion oder andere Verarbeitung des gefilterten Strahlenbündels vorgesehen ist, erweist es sich als vorteilhaft, dem Verlaufsfarbfilter nachgeordnet zusätzlich eine Rückumformungsoptik anzuordnen, die der Strahlformungsoptik entspricht und zur Strahlformungsoptik entgegengesetzt und um die optische Achse um 90° verdreht angeordnet ist.
Wird das Verlaufsfarbfilter als Verlaufsfarbteiler ausgebildet, kann dem Verlaufsfarbteiler nachgeordnet zweckmäßig eine Rückumformungsoptik angeordnet sein, die der Strahlformungsoptik entspricht und zur Strahlformungsoptik entgegengesetzt und um die optische Achse um 90° verdreht angeordnet ist. Dabei kann die Rückumformungsoptik dem Verlaufsfarbteiler in Transmissionsrichtung sowie alternativ oder zusätzlich in Reflexionsrichtung nachgeordnet sein.
Die Erfindung basiert auf der Grundüberlegung, dass eine ortsabhängige spektralselektive Filterung oder Strahlteilung unter Verwendung von Verlaufsfarbfiltern für reale runde Strahlenbündel von 0,5 mm bis zu 20 mm Durchmesser stets daran leidet, dass je nach der Länge des Verlaufsfarbfilters und nach dem Durchmesser des Lichtstrahlenbündels sich am Verlaufsfarbfilter über den Querschnitt des Lichtstrahlenbündels hinweg eine Veränderung der durchgelassenen und/oder reflektierten Wellenlängen ergibt. Damit entsteht der Effekt, dass das Lichtstrahlenbündel nicht ab einer bestimmten Wellenlänge durchgelassen oder reflektiert wird, sondern dass es einen ausgedehnten Übergangsbereich gibt, in dem bei kommerziell verfügbaren Verlaufsfarbfiltern oder -teilern das Strahlenbündel – abhängig von dessen Durchmesser – nur teilweise transmittiert und ein anderer Teil reflektiert wird. Darunter leidet die Kantensteilheit der Filterung bzw. die übertragene (durchgelassene oder reflektierte) Intensität des Strahlenbündels wird im Übergangsbereich für die erwünschte Strahlrichtung geschwächt. Bei Bandpassfiltern kann sich der Schwächungseffekt noch stärker auswirken und führt zur Bündelabschattung oder im Extremfall zur Bündelbeschneidung. Ein Ansatz zur Lösung der vorgenannten Probleme könnte in der Beeinflussung des Verhältnisses von der Länge des Verlaufsfarbfilters und dem Durchmesser des Lichtstrahlenbündels gesucht werden. Dabei müsste die Länge des Verlaufsfarbfilters vergrößert und/oder der Durchmesser des Lichtstrahlenbündels verkleinert werden.
Eine Verlängerung des Verlaufsfarbfilters ist aus Bauraumgründen, aber auch aus technischen Gründen bzw. Kostengründen der Verlaufsfarbfilterherstellung häufig nicht sinnvoll. Andererseits führt eine Verkleinerung des Lichtstrahlenbündels dazu, dass die Einflüsse von Fehlern im Verlaufsfarbfilterschichtsystem, in dessen Träger und auf dessen Oberfläche (z. B. Staub) wachsen und damit das Ergebnis erheblich verschlechtern können. Die erfindungsgemäße Lösung setzt deshalb auf eine Änderung der Geometrie des Lichtstrahlenbündels derart, dass das Strahlenbündel in Richtung des Verlaufs des Verlaufsfarbfilters schmaler wird, während gleichzeitig die auf dem Verlaufsfarbfilter beleuchtete Fläche weitgehend erhalten bleibt. Das wird durch den Einsatz einer oder mehrerer Linsen mit Linsenformen mit einer positiven und einer negativen Brechkraft in senkrecht zueinander befindlichen Azimuten erreicht, um einen annähernd rechteckigen bis ovalen Strahlquerschnitt zu erzeugen. Dabei sind die Optiken so zu wählen, dass die Ausdehnung des Strahlenbündels in der Richtung des Verlaufsfarbfilters die Bündelbreite derart verkleinert wird, damit eine spektrale Zielauflösung bei der verwendeten Kantensteilheit des Verlaufsfarbfilters erreicht wird, und in der Querrichtung des Verlaufsfarbfilters angepasst vergrößert wird, solange das die maximal verfügbare Breite des Verlaufsfarbfilters zulässt, wobei zugleich die Fläche des Bündelquerschnitts möglichst erhalten bleibt. Eine Grenze für die kleinste Bündelbreite in Richtung des Verlaufsfarbfilters ist gegeben, wenn die spektrale Zielauflösung bei der verwendeten Kantensteilheit des Verlaufsfarbfilters erreicht wird. Geeignet ist dafür eine Linsenkombination aus einer sammelnden (konvexen) und einer zerstreuenden (konkaven) Zylinderlinse, die orthogonal zueinander im Querschnitt des einfallenden Strahlenbündels vor dem Verlaufsfarbfilter angeordnet sind.
Um noch weniger Bauraum zu beanspruchen, sollte vorzugsweise mit nur einer Linse zur Strahlformung gearbeitet werden. Dafür eignen sich Linsenformen mit einer positiven und einer negativen Brechkraft in senkrecht zueinander befindlichen Azimuten, z. B. Linsen, deren Eintritts- und Austrittsflächen aus einer konvexen und einer konkaven Zylinderlinsenfläche, deren Zylinderachsen orthogonal zueinander ausgerichtet sind, gebildet sind, um einen ovalen bis annähernd rechteckigen Strahlquerschnitt zu erzeugen. Letzteres ist auch durch eine toroidische oder eine hyperboloidische Linsenform möglich.
Durch diese Strahlformungsmaßnahmen wird die Veränderung der reflektierten und der durchgelassenen Wellenlängen innerhalb eines auf ein Verlaufsfarbfilter auftreffenden Lichtstrahlenbündels erheblich reduziert und somit die Kantensteilheit der Filterung oder der Farbteilung verbessert. Gleichzeitig wird durch die Beibehaltung der Fläche des Lichtstrahlenbündels verhindert, dass der Einfluss von Fehlern in der Schicht, im Trägerteil und an den Oberflächen (Staub) zu einer erheblichen Fehlerquelle wird. Sofern die Sauberkeitsanforderungen und/oder vorhandene Herstellungsfehler im Verlaufsfarbfilter unkritisch sind, reicht als vereinfachte (verschlechterte) Ausführung der Erfindung auch der Einsatz einer einzelnen Zylinderlinse oder einer herkömmlichen torischen Linse, um ein stark elliptisches auftreffendes Strahlenbündel (ohne Flächengleichheit mit dem runden einfallenden Strahlenbündel) auf das Verlaufsfarbfilter zu richten und die Kantensteilheit der Farbfilterung zu verbessern.
Optional kann, wenn eine weitere Detektion oder andere Verarbeitung eines gefilterten runden Lichtstrahlenbündels gewünscht ist, durch die Anordnung von weiteren gleichen Linsen im Strahlenverlauf nach dem Verlaufsfarbfilter bzw. Verlaufsfarbteiler das Lichtstrahlenbündel wieder in ein rundes Profil zurückgewandelt werden.
Durch die Erfindung wird eine Möglichkeit zur spektralselektiven Filterung oder Strahlteilung mittels eines Verlaufsfarbfilters aufgezeigt, die eine verbesserte Kantensteilheit und eine gleichmäßigere Wellenlängenselektion für reale runde optische Strahlenbündel (mit Bündeldurchmessern zwischen 0,5 und 20 mm) gestattet. Zugleich werden störende Einflüsse von Oberflächenverunreinigungen (Staub) sowie Herstellungsinhomogenitäten des Verlaufsfarbfilters und des Basissubstrats minimiert.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und Abbildungen näher erläutert. Dabei zeigen:
1 eine schematische Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung mit einer konkaven und einer konvexen Zylinderlinse als Strahlformungsoptik zur Änderung der Bündeldimension auf dem Verlaufsfarbfilter;
2 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführung der Strahlformungsoptik in Form einer Zylinderlinse mit einer konkaven und einer konvexen Oberfläche zur Änderung der Bündeldimension auf dem Verlaufsfarbfilter;
3 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführung der Strahlformungsoptik in Form einer toroidischen Linse zur Änderung der Bündeldimension auf dem Verlaufsfarbfilter;
4 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführung der Strahlformungsoptik in Form eines halbierten einschaligen Rotationshyperboloids zur Änderung der Strahlenbündeldimension auf dem Verlaufsfarbfilter;
5 ein Anwendungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung mit einem optischen Verlaufsfarbteiler für runde Strahlenbündel vor und nach dem Verlaufsfarbteiler;
6 ein weiteres Anwendungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung mit einem optischen Verlaufsfarbfilter für runde Strahlenbündel vor und nach dem Verlaufsfarbfilter unter Verwendung eines Farb-LVF.
In einer Anordnung zur spektralselektiven Filterung mit einem Verlaufsfarbfilter 4 gemäß der Erfindung wird in einem Grundaufbau, wie in 1 dargestellt, ein rundes einfallendes Strahlenbündel 1 mittels einer Strahlformungsoptik 2 als auftreffendes Strahlenbündel 3 mit einem veränderten Strahlquerschnitt auf das Verlaufsfarbfilter 4 gerichtet. Dabei hat die Strahlformungsoptik 2 die Aufgabe, das auf dem Verlaufsfarbfilter 4 auftreffende Strahlenbündel 3 mit einer möglichst geringen Ausdehnung in Verlaufsrichtung 41 des Verlaufsfarbfilters 4 auszubilden. Die Verlaufsrichtung 41 ist in 1 mit einem Doppelpfeil gekennzeichnet, während die Richtung konstanter Transmission des Verlaufsfarbfilters 4 orthogonal zur Verlaufsrichtung 41 ausgerichtet ist und nachfolgend mit Querrichtung bezeichnet wird. Die Besonderheit der Strahlformungsoptik 2 besteht darin, dass sie das einfallende Strahlenbündel 1 so umformt, dass bei Minimierung der Ausdehnung in der Verlaufsrichtung 41 des Verlaufsfarbfilters 4 der Strahlquerschnitt 31 des auftreffenden Strahlenbündels 3 auf dem Verlaufsfarbfilter 4 eine Querschnittsfläche A2 aufweist, die an die Querschnittsfläche A1 des runden einfallenden Strahlenbündels 1 angeglichen ist. Unter Angleichung soll im Sinne der Erfindung verstanden werden, dass die „verschlankte“ Querschnittsfläche A2 auf dem Verlaufsfarbfilter 4 einen Flächeninhalt von mindestens 3/4, bevorzugt > 4/5, insbesondere > 7/8 der Querschnittsfläche A1 des einfallenden Strahlenbündels 1 aufweist. Angestrebt wird dabei stets die Flächengleichheit, die sich jedoch vorwiegend aus Gründen von verfügbaren Verlaufsfarbfiltern 4 oder vorgegebenen Bauraumbeschränkungen nicht vollständig realisieren lässt. Dazu enthält die Strahlformungsoptik 2 konvex und konkav geformte Linsenoberflächen, wobei die konvexe Linsenform zur Strahlenbündelfokussierung in Verlaufsrichtung 41 und die konkave Linsenform zur Strahlenbündelaufweitung des auftreffenden Strahlenbündels 3 in der Querrichtung des Verlaufsfarbfilters 4 vorgesehen ist. 1 zeigt dazu eine Basisausführung, in der die Strahlformungsoptik 2 eine konvexe Zylinderlinse 21 und eine konkave Zylinderlinse 22 aufweist, deren Zylinderachsen orthogonal zueinander ausgerichtet sind. Dieses so gestaltete Linsenpaar erzeugt auf dem Verlaufsfarbfilter 4 einen stark elliptischen Strahlquerschnitt 31 mit der großen Halbachse in Querrichtung des Verlaufsfarbfilters 4 und der Querschnittsfläche A2, die im Idealfall mit der Querschnittsfläche A1 des einfallenden Strahlenbündels 1 übereinstimmt.
In 2 ist eine zur Ausführung von 1 äquivalente Strahlformungsvariante mit einer einzigen kombinierten Zylinderlinse 23 dargestellt. Die kombinierte Zylinderlinse 23 weist dabei als Eintrittsfläche eine konkave Zylinderfläche 231 und als Austrittsfläche eine konvexe Zylinderfläche 232 auf. Alternativ kann auch die konvexe Zylinderfläche 232 als Eintrittsfläche und die konkave Zylinderfläche 231 als Austrittsfläche der Strahlformungsoptik 2 verwendet werden. Die Strahlformung erfolgt dabei in gleicher Weise wie in 1.
Die wirksamen Brennweiten für die sammelnde und zerstreuende Strahlformung sind in den Beispielen nach 1 und 2 auf unterschiedliche (zueinander beabstandete) Oberflächen gelegt. Dabei sind, wie in 1 ausgeführt, die unterschiedlichen optischen Flächen auf verschiedenen optischen Teilen oder, wie in 2 gezeigt, auf ein und demselben Teil möglich. Nach Einführung eines endlichen Abstandes L₀ zwischen den unterschiedlichen Brennweiten f_x und f_y lassen sich folgende Relationen zwischen den optisch wirksamen Flächen angeben. Bei Vorgabe der Brennweiten f_x und f_y sowie des Abstandes L zwischen der letzten Brennweite f_y zum Verlaufsfarbfilter 4 ergibt sich, dass der Abstand L₀ = L·(f_x + f_y – L)/(L – f_y) > 0 einzuhalten ist, was L < f_x + f_y für L > f_y bzw. L > f_x + f_y für L < f_y bedeutet. Das Verhältnis der beiden Achsen lässt sich in beiden Fällen mit f_y ²/(L – f_y)² angeben. Folgende Beispiele sind dementsprechend bei einem Bündeldurchmesser D = 2 mm des runden einfallenden Strahlenbündels 1 vorstellbar:

1. f_x = 20 mm, f_y = –10 mm, L = 8 mm, L₀ = 0,89 mm, D_y = 3,6 mm, D_x = 1,11 mm.
2. f_x = –10 mm, f_y = 20 mm, L = 12 mm, L₀ = 3,0 mm, D_x = 5,0 mm, D_y = 0,8 mm.

Eine weitere Variante der Strahlformungsoptik 2 ist durch die Ausführung der Anordnung zur spektralselektiven Filterung gemäß der unteren Darstellung in 3 gegeben, bei der ebenfalls nur eine einzelne Linse die Strahlformung übernimmt. Dazu ist das einfallende Strahlenbündel 1 auf eine toroidische Linse 24 gerichtet, deren Eintrittsfläche in zwei Koordinatenrichtungen unterschiedliche Krümmung aufweist. Die toroidische Linse 24 kann mit ihrer zweifach gekrümmten Oberfläche auch als Austrittsfläche zum Strahlengang des einfallenden Strahlenbündels 1 positioniert sein. Mit den Brennweiten f_x und f_y in den beiden Schnitten ergibt sich ein Abstand L = f_x + f_y > 0 zum Verlaufsfarbfilter 4 sowie ein Verhältnis für die Ausdehnung des Spots in beiden Achsen von f_x ²/f_y ². Eine vorteilhaft kompakte Bauweise lässt sich dementsprechend mit positiven und negativen Brechkräften erreichen, wobei die positive Brennweite betragsmäßig größer sein muss als die negative Brennweite. Für einen Bündeldurchmesser D = 2 mm des runden einfallenden Strahlenbündels 1 könnte bspw. f_x = 20 mm, f_y = –10 mm gewählt werden, womit L = 10 mm sowie D_x = 4 mm und D_y = 1 mm für das auftreffende Strahlenbündel 3 folgen.
Die Erzeugung der toroidischen Linse 24 ist in der oberen Darstellung von 3 schematisch dargestellt. Es handelt sich dabei – im Gegensatz zu der weit verbreiteten torischen Linse, die als eine Außenkappe an der Peripherie eines Ringtorus 7 definiert ist – um eine „Innenkappe“ vom Ringtorus 7. Die „Innenkappe“ ist, genau genommen, ein Ausschnitt am Innenkreis des Ringtorus 7, wie er in der oberen Darstellung von 3 mit gestrichelten Linien markiert ist. Von den zwei orthogonal unterschiedlichen Krümmungen der toroidischen Linse 24 ist die konkave Krümmung durch den Innenkreis (R-r) des Ringtorus 7 bestimmt ist (wobei r der Radius der den Ringtorus 7 erzeugenden Kreisfläche bei Rotation des Kreismittelpunkts um ein Zentrum mit einem Radius R ist). Die konvexe Krümmung ist durch den Radius r des erzeugenden Kreises bestimmt.
4 zeigt eine weitere Ausführung der Strahlformungsoptik 2, indem vor dem Verlaufsfarbfilter 4 im einfallenden Strahlenbündel 1 eine hyperboloidische Linse 25 angeordnet ist, wie in der unteren Darstellung von 4 gezeichnet. Die hyperboloidische Linse 25 weist ebenfalls eine Eintrittsfläche mit zueinander konvexen und konkaven Krümmungen auf, wie die toroidische Linse 24 aus 3. Die Erzeugung der hyperboloidischen Linse 25 ist in der oberen Darstellung von 4 ersichtlich. Dargestellt ist ein einschaliges Rotationshyperboloid 8, aus dessen Körper ein Ausschnitt die hyperboloidische Linse 25 ergibt. Wie bei allen vorherigen Ausführungsbeispielen ist auch hier die konkave Krümmung der Querrichtung des Verlaufsfarbfilters 4 zugeordnet, während die konvexe Krümmung für die Fokussierung des einfallenden Strahlenbündels 1 in der Verlaufsrichtung 41 zuständig ist. Auch in diesem Beispiel ist auf dem Verlaufsfarbfilter 4 der ovale Strahlquerschnitt 31 mit seiner Querschnittsfläche A2 an die Größe der Querschnittsfläche A1 des einfallenden Strahlenbündels 1 weitgehend angeglichen.
Ein erweitertes Ausführungsbeispiel der Anordnung zur spektralselektiven Filterung ist in 5 gezeigt. Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung ist das Verlaufsfarbfilter 4 in Form eines Verlaufsfarbteilers 42 ausgeführt. Das reflektierte Licht kann ebenfalls oder alternativ benutzt werden. Eine Rückumformungsoptik 5’ in Form der toroidischen Linse 24 kann deshalb zusätzlich in Reflexionsrichtung des Verlaufsfarbteilers 42 eingefügt werden und erfüllt die Rückumformung in ein rundes reflektiertes Strahlenbündel 6’ in gleicher Weise wie die Rückumformungsoptik 5 in Transmissionsrichtung des Verlaufsfarbteilers 42.
Um den eingangs vorhandenen runden Strahlquerschnitt 31 mit der Querschnittsfläche A1 auch nach der spektralen Bündelteilung wieder zur Verfügung zu haben, ist nach dem Verlaufsfarbteiler 42 eine zusätzliche Rückumformungsoptik 5 vorhanden, die dieselbe(n) Linsenform(en) wie die Strahlformungsoptik 2 beinhaltet. In diesem Beispiel sollen – ohne Beschränkung der Allgemeinheit – die Strahlformungsoptik 2 und die Rückumformungsoptik 5 jeweils eine toroidische Linse 24 enthalten. Die beiden toroidischen Linsen 24 sind zueinander entgegengesetzt angeordnet und um die optische Achse 9 in Transmissionsrichtung um 90° verdreht positioniert. Damit wird die runde Querschnittsfläche A1 des einfallenden Strahlenbündels 1 nach der Umformung in den elliptischen Strahlquerschnitt 31 mit der angeglichenen Querschnittsfläche A2 wieder in ein austretendes Strahlenbündel 6 mit einer flächengleichen runden Querschnittsfläche A3 = A1 zurückgeführt und steht somit für eine weitere Anwendung, bspw. Detektion oder anderweitige optische Verarbeitung, zur Verfügung. Die Strahlenbündelumformung in einen elliptischen Strahlquerschnitt 31 auf dem Verlaufsfarbteiler 42 erfolgt nach den gleichen Grundsätzen wie in den vorherigen Abschnitten zu den 1 bis 4 beschrieben. Sofern die Sauberkeitsanforderungen (z. B. unter Vakuum- oder Reinraumumgebung) unkritisch und/oder vorhandene Herstellungsfehler im Verlaufsfarbteiler 42 vernachlässigbar gering sind, reicht als vereinfachte (verschlechterte) Ausführung der Erfindung auch der Einsatz einer einzelnen konvexen Zylinderlinse 21 parallel zur Querrichtung des Verlaufsfarbteilers 42 oder einer herkömmlichen torischen Linse, um ein stark elliptisches auftreffendes Strahlenbündel 3 (ohne Flächengleichheit der Querschnittsfläche A2 vom elliptischen Strahlquerschnitt 31 mit der Querschnittsfläche A1 des runden einfallenden Strahlenbündels 1 herzustellen) in Querrichtung auf den Verlaufsfarbteiler 42 zu richten und die Kantensteilheit der Farbfilterung erheblich zu verbessern.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Anordnung mit einer spektralselektiven Verlaufsfarbfilterung ist in 6 unter Verwendung eines kommerziell verfügbaren Farb-LVF 43 (lineares variables Filter) dargestellt. In diesem Beispiel wird ebenfalls eine Rückumformungsoptik 5 nach dem Farb-LVF 43 eingesetzt, die in diesem Fall eine mit der Strahlformungsoptik 2 übereinstimmend geformte kombinierte Zylinderlinse 23 enthält. Analog zum vorherigen Beispiel gemäß 5 werden die beiden kombinierten Zylinderlinsen 23 entgegengesetzt und um 90° um die optische Achse 9 verdreht angeordnet, um die ursprüngliche runde Querschnittsfläche A1 des einfallenden Strahlenbündels 1 auch nach der Spektralfilterung bei elliptischem Strahlquerschnitt 31 wieder als rundes austretendes Strahlenbündel 6 mit gleicher Querschnittsfläche A3 = A1 zur Verfügung zu haben.
Mit der erfindungsgemäßen Anordnung zur spektralselektiven Filterung von normalen runden optischen Strahlenbündeln ist eine Filterung mit verbesserter Kantensteilheit möglich, ohne die üblichen Probleme der Störanfälligkeit gegenüber Kontaminationen und Inhomogenitäten des Substratmaterials und/oder der Filterbeschichtungen des Verlaufsfarbfilters.
Bezugszeichenliste

1: (rundes) einfallendes Strahlenbündel
2: Strahlformungsoptik
21: konvexe Zylinderlinse
22: konkave Zylinderlinse
23: kombinierte Zylinderlinse
231: konkave Zylinderfläche
232: konvexe Zylinderfläche
24: toroidische Linse
25: hyperboloidische Linse
3: auftreffendes Strahlenbündel (auf dem Verlaufsfarbfilter 4)
31: Strahlquerschnitt
4: Verlaufsfarbfilter
41: Verlaufsrichtung
42: Verlaufsfarbteiler
43: Farb-LVF
5, 5’: Rückumformungsoptik
6: (rundes) austretendes Strahlenbündel
6’: (rundes) reflektiertes Strahlenbündel
7: Ringtorus
8: einschaliges Rotationshyperboloid
9: optische Achse
A1: Querschnittsfläche (des einfallenden Strahlenbündels 1)
A2: Querschnittsfläche (des auftreffenden Strahlenbündels 3)
A3: Querschnittsfläche (des austretenden Strahlenbündels 6)
D: Durchmesser (des runden Strahlenbündels)
D_x, D_y: Durchmesser (des ovalen, rechteckigen Strahlenbündels)
f_x, f_y: positive, negative Brennweite
L, L₀: Abstand
R: Radius (des Ringtorus 7)
r: Radius (der den Ringtorus 7 erzeugenden Kreisfläche)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

CN 2672679 Y [0002]
US 6836349 B2 [0003]
US 6909548 B2 [0003]
US 8279441 B2 [0003]
CN 103264067 A [0004]

Claims

Anordnung zur spektralselektiven Filterung eines optischen Strahlenbündels mit einem Verlaufsfarbfilter, bei der ein rundes einfallendes Strahlenbündel auf einen bestimmten Bereich des Verlaufsfarbfilters gerichtet ist, um eine einstellbare wellenlängenabhängige Kanten- oder Bandpass-Filterung des einfallenden Strahlenbündels zu erreichen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Strahlformungsoptik (2) zur Anpassung des Bündelquerschnitts des runden einfallenden Strahlenbündels (1) derart vorgesehen ist, dass die Ausdehnung des auf dem Verlaufsfarbfilter (4) auftreffenden Strahlenbündels (3) in Verlaufsrichtung (41) verkleinert und in Querrichtung des Verlaufsfarbfilters (4) vergrößert ist, wobei eine Querschnittsfläche (A2) des auf das Verlaufsfarbfilter (4) auftreffenden Strahlenbündels (3) gegenüber einer Querschnittsfläche (A1) des einfallenden Strahlenbündels (1) derart angepasst ist, dass sie eine spektrale Zielauflösung bei einer vorhandenen Kantensteilheit in Verlaufsrichtung (41) des Verlaufsfarbfilters (4) erreicht und mindestens 3/4 der Querschnittsfläche (A1) des einfallenden Strahlenbündels (1) beträgt.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlformungsoptik (2) aus einer konvexen Zylinderlinse (21) und einer konkaven Zylinderlinse (22) zusammengesetzt ist, wobei die konvexe Zylinderlinse (21) in Querrichtung zum Verlaufsfarbfilter (4) ausgerichtet und die konkave Zylinderlinse (22) in Verlaufsrichtung (41) des Verlaufsfarbfilters (4) angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlformungsoptik (2) mindestens eine kombinierte Zylinderlinse (23) enthält, bei der Eintritts- und Austrittsflächen durch eine konkave Zylinderfläche (231) und eine konvexe Zylinderfläche (232), deren Zylinderachsen orthogonal zueinander liegen, gebildet sind.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlformungsoptik (2) wenigstens eine toroidische Linse (24) enthält, die aus einer Innenkappe eines Ringtorus (7) gebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlformungsoptik (2) wenigstens eine hyperboloidische Linse (25) enthält, deren Form durch mindestens einen Teil eines einschaligen Rotationshyperboloids (8) gebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche (A2) des auf das Verlaufsfarbfilter (4) auftreffenden Strahlenbündels (3) mindestens 4/5 der Querschnittsfläche (A1) des einfallenden Strahlenbündels (1) beträgt.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass dem Verlaufsfarbfilter (4) nachgeordnet zusätzlich eine Rückumformungsoptik (5) angeordnet ist, die der Strahlformungsoptik (2) entspricht und zur Strahlformungsoptik (2) entgegengesetzt und um eine optische Achse (9) um 90° verdreht angeordnet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verlaufsfarbfilter (4) als Verlaufsfarbteiler (42) ausgebildet ist und dem Verlaufsfarbteiler (42) nachgeordnet eine Rückumformungsoptik (5; 5’) angeordnet ist, die der Strahlformungsoptik (2) entspricht und zur Strahlformungsoptik (2) entgegengesetzt und um eine optische Achse (9) um 90° verdreht angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückumformungsoptik (5) dem Verlaufsfarbteiler (42) in Transmissionsrichtung nachgeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückumformungsoptik (5’) dem Verlaufsfarbteiler (42) in Reflexionsrichtung nachgeordnet ist.