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Die Erfindung betrifft eine Bestrahlungsvorrichtung und ein Bestrahlungsverfahren zur gleichmäßigen Beleuchtung oder Bestrahlung eines Bereichs, beispielsweise zur Materialbearbeitung oder zur endoskopischen Beleuchtung. Insbesondere bietet die Erfindung die Möglichkeit zur homogenen Bestrahlung bzw. Beleuchtung von Oberflächen.
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Eine möglichst homogene Beleuchtung bzw. Bestrahlung eines Bereichs einer Oberfläche trägt in vielen technischen Gebieten, z.B. Endoskopie, abtragende Verfahren mittels Strahlung oder Verfahren zur Bestrahlung biologischen Materials, zu einer Verbesserung bei. Da bei einer Bestrahlung stets auch eine Beleuchtung stattfindet und sich diese Begriffe höchstens subjektiv über Bestrahlungsstärke oder Wellenlänge (z.B. sichtbares Licht) trennen ließen, physikalisch jedoch im Grunde gleichbedeutend sind, werden die Begriffe „Bestrahlung“ und „Beleuchtung“ im Folgenden unter dem Sammelbegriff „Bestrahlung“ zusammengefasst.
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Um eine möglichst homogene Bestrahlungsstärke innerhalb des bestrahlten Bereichs zu erhalten, werden häufig Diffusoren eingesetzt. Eine andere Möglichkeit ist der Einsatz von mehreren Leuchtmitteln, was den Vorteil hat, dass gleichzeitig eine Steigerung der Helligkeit bewirkt werden kann. Eine weitere Möglichkeit der Homogenisierung stellen Wabenkondensoren (sogenannte „fly's eyes“) dar, die aus zwei hintereinander positionierten Mikrolinsenarrays bestehen. Letztlich kann auch ein Lichtleiter verwendet werden.
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Gemeinsamer Nachteil dieser Ausführungen ist, dass die Homogenität der Ausleuchtung nur in einem bestimmten, sehr kleinen Bereich entlang der Ausbreitungsrichtung gegeben ist. So ist beispielsweise die Lichtverteilung direkt am Faserende eines Lichtleiters homogen, geht aber mit zunehmendem Abstand (meist kleiner als 0,5 mm) über in eine Verteilung mit einem deutlichen Abfall der Bestrahlungsstärke zum Rand hin. In ähnlicher Weise ist die Lichtverteilung bei Abbildung des Faserendes nur in der Abbildungsebene homogen und wird vor bzw. nach der Abbildungsebene mit zunehmendem Abstand inhomogen. Gleiches gilt für die anderen Systeme des Standes der Technik, außer den Diffusoren. Bei diesen bleibt zwar die Homogenität über einen größeren Abstandsbereich erhalten, jedoch haben Diffusoren den Nachteil, dass sie prinzipbedingt eine erhöhte Strahldivergenz aufweisen, wodurch die Bestrahlungsstärke mit zunehmendem Abstand wesentlich stärker abnimmt als bei den anderen Systemen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und eine Bestrahlungsvorrichtung und ein Bestrahlungsverfahren zur Verfügung zu stellen, die eine homogene Ausleuchtung eines Bereichs (z.B. einer Oberfläche) auch über einen größeren Abstandsbereich ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch eine Bestrahlungsvorrichtung (bzw. „Beleuchtungsvorrichtung“) gemäß den Ansprüchen gelöst.
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Es sei hier angemerkt, dass, da elektromagnetische Wellen zur Bestrahlung verwendet werden (hier zusammenfassend als „Licht“ bezeichnet), die erfindungsgemäße Bestrahlungsvorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Bestrahlungsverfahren, wie oben gesagt, selbstverständlich auch für eine Beleuchtung verwendet werden kann. Mit dem Begriff „Bestrahlung“ ist insbesondere eine (endoskopische) Beleuchtung oder eine Erzeugung von Abtrag oder eine Zersetzung von Material gemeint, z.B. eine Laserbearbeitung oder eine Abtragung oder Zerstörung von biologischem Material. Der Begriff „Licht“ umfasst nicht nur für Menschen sichtbare elektromagnetische Strahlung, sondern elektromagnetische Strahlung mit im Grunde allen möglichen Wellenlängen. Die Erfindung eignet sich jedoch bevorzugt für elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen kürzer als 1 mm, insbesondere kürzer als 0,03 mm. Da hochenergetische elektromagnetische Wellen (z.B. Röntgenstrahlen) sich nur sehr schwer mittels refraktiver Elemente formen lassen, eignet sich die Erfindung bevorzugt für elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen länger als 10 nm, insbesondere länger als 100 nm.
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Die erfindungsgemäße Bestrahlungsvorrichtung umfasst:
- - Eine Strahlemissionseinheit, welche Strahlung mit einer homogenen Winkelverteilung emittiert.
- - Einen Lichtleiter.
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Dieser Lichtleiter ist dafür ausgelegt, einen von der Strahlungsquelle emittierten Strahlkegel zu leiten. Der Lichtleiter ist so zur Strahlemissionseinheit positioniert, dass ein Strahlkegel mit einer homogenen Winkelverteilung der von der Strahlemissionseinheit emittierten Strahlung in den Lichtleiter eingekoppelt wird.
- - Eine Feldlinse.
Diese Feldlinse befindet sich am auskoppelseitigen Ende des Lichtleiters, also an demjenigen Ende des Lichtleiters, an dem ein vorher eingekoppelter Strahlkegel austritt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, welche eine gute Ausnutzung der emittierten Strahlung ermöglicht, umfasst die Strahlemissionseinheit:
- - Eine Strahlungsquelle
Diese Strahlungsquelle emittiert einen Strahlkegel mit einem Strahlprofil, welches inhomogen (z.B. gaußförmig) sein kann, bevorzugt jedoch eine homogene Ortsverteilung aufweist. Hierzu können beispielsweise Laser oder Leuchtdioden („LEDs“) verwendet werden. In der Regel nimmt der Querschnitt eines von einer Strahlungsquelle emittierten Strahls (z.B. einem Lichtstrahl) stets zu. Dieser Strahl wird hier als „Strahlkegel“ bezeichnet. Auf die Homogenität wird weiter unten genauer eingegangen werden.
- - Ein Strahlformungssystem
Dieses Strahlformungssystem ist dermaßen ausgestaltet und positioniert, dass es in der Lage ist, das Strahlprofil des von der Strahlungsquelle emittierten Strahlkegels in eine homogene Winkelverteilung zu transformieren, und insbesondere die (bevorzugte) homogene Ortsverteilung des von der Strahlungsquelle emittierten Strahlkegels in eine entsprechende homogene Winkelverteilung zu transformieren. Das Strahlformungssystem kann komplett oder im Wesentlichen aus Linsen bestehen und in diesem Falle auch als „Linsensystem“ bezeichnet werden. Das Strahlformungssystem kann dazu ausgelegt sein, eine Vielzahl von Bildern der Beleuchtungseinheit zu erzeugen und umfasst in diesem Fall bevorzugt einen Wabenkondensor.
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Bezüglich des Lichtleiters ist bevorzugt, dass der Lichtleiter so zum Strahlformungssystem positioniert ist, dass der vom Strahlformungssystem transformierte Strahlkegel in den Lichtleiter eingekoppelt wird.
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Das erfindungsgemäße Bestrahlungsverfahren umfasst die folgenden Schritte:
- - Emission von Strahlung mit einer homogenen Winkelverteilung,
- - Einkopplung des Strahlkegels mit homogener Winkelverteilung in einen Lichtleiter, an dessen auskoppelseitigen Ende eine Feldlinse aufgebracht ist.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bestrahlungsverfahrens umfasst die folgenden Schritte:
- - Emission eines Strahlkegels mit einem Strahlprofil, bevorzugt einer homogenen Ortsverteilung (durch die oben genannte Strahlungsquelle),
- - Transformierung des Strahlprofils (bevorzugt der homogenen Ortsverteilung) des Strahlkegels in eine homogene Winkelverteilung (durch das oben genannte Strahlformungssystem),
- - Einkopplung des transformierten Strahlkegels in einen Lichtleiter, an dessen auskoppelseitigen Ende eine Feldlinse aufgebracht ist.
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Dadurch ergibt sich das gewünschte homogene Strahlprofil über einen vergleichsweise großen Bereich, beginnend im Nahfeld des auskoppelseitigen Endes des Lichtleiters.
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Zunächst benötigt die Erfindung einen Strahlkegel mit einem Strahlprofil, welches eine homogene Winkelverteilung aufweist. Hierzu wird eine Strahlemissionseinheit verwendet, die je nach Anwendungsfall einen einfachen oder komplexeren Aufbau (z.B. s.o.) haben kann. Es ist dabei bevorzugt, dass das Strahlprofil symmetrisch bezüglich der Strahlachse ist, insbesondere rotationssymmetrisch.
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Besonders bevorzugt ist der Fall, in dem das Strahlprofil eines Strahlkegels, welcher später in den Lichtleiter eingekoppelt wird, eine homogene (oder „hutförmige“) Ortsverteilung aufweist. Ein Strahlprofil mit einer homogenen Ortsverteilung (englisch auch als „Tophat beam“ oder „flat-top beam“ bezeichnet) hat eine nahezu gleichförmige Bestrahlungsstärke innerhalb eines bestimmten Querschnittbereichs (meist einer kreisförmigen Scheibe). Ein homogenes Profil (oder „Hutprofil“) weist einen zentralen Bereich (Plateau) auf, der rings herum von einem Anstiegsbereich umgeben ist. Bei einem kreisförmigen Querschnitt würde ein kreisförmiger zentraler Bereich konzentrisch innerhalb eines ihn umgebenden Ringes (dem Anstiegsbereich) liegen. Im zentralen Bereich variiert die Bestrahlungsstärke um nicht mehr als 30 %, insbesondere um nicht mehr als 20 % oder gar um nicht mehr als 10 %, was mit der Bezeichnung „nahezu gleichförmig“ bzw. „homogen“ gemeint ist. Im Anstiegsbereich steigt die Bestrahlungsstärke von 10 % bis auf die Bestrahlungsstärke am Rande des zentralen Bereichs an. Gemäß der Erfindung ist die Breite des Anstiegsbereichs kleiner als 20 % des Durchmessers des zentralen Bereichs, bevorzugt kleiner als 10 %, besonders bevorzugt kleiner als 5 %. Damit steigt die Bestrahlungsstärke am Rande des zentralen Bereichs sehr stark an, so dass sich über einen Querschnitt des Strahls ein annähernd rechteckiges Profil ergibt. Das hutförmige Strahlprofil wird oftmals durch diffraktive optische Elemente (DOE) aus einem gaußschen Strahl gebildet. Ein hutförmiges Strahlprofil hat seine Bezeichnung wegen der Ähnlichkeit mit der Form eines Zylinderhutes erhalten.
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Da im Vorangehenden von einem Strahlkegel ausgegangen wird, der in seinem Verlauf in den Lichtleiter eingekoppelt wird, bedeuten die vorangehenden Ausführungen, dass bei einer homogenen Ortsverteilung die Ränder des Strahlkegels den Anstiegsbereich bilden und das Zentrum des Strahlkegels den zentralen Bereich. Die Querschnittsfläche des Strahlkegels weist also eine im Wesentlichen gleichförmige Bestrahlungsstärke oder Intensität auf. Als Gegensatz zu einer homogenen Verteilung wird hier der Begriff „inhomogen“ verwendet. Eine inhomogene Ortsverteilung entspricht z.B. einem gaußförmigen Strahlprofil. Bei einer homogenen Winkelverteilung liegt innerhalb des Strahlkegels eine konstante Strahlstärke vor, also eine konstante ausgesandte Leistung je Raumwinkel (mit der Einheit [W/sr]).
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Wie im einleitenden Teil bereits erwähnt wurde, gibt es bereits Leuchtmittel, welche ein solches Strahlprofil mit einer homogenen Ortsverteilung emittieren, welches jedoch nur in einem sehr kleinen Abstandsbereich vorliegt. Außerhalb dieses Abstandsbereichs „verläuft“ das Strahlprofil sehr schnell, meist in ein inhomogenes Strahlprofil. Solche Leuchtmittel können als Strahlungsquellen im Rahmen der Erfindung verwendet werden. Bevorzugte Strahlungsquellen umfassen Laser oder Leuchtdioden. Auch wenn es durchaus Laser oder Dioden geben kann, die keine Strahlung mit einer homogenen Ortsverteilung emittieren, ist sie oftmals (rotations-)symmetrisch zur Strahlachse, so dass diese Leuchtmittel besonders bevorzugt sind.
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Es kann aber im Grunde mit beliebigen Leuchtmitteln gearbeitet werden, die z.B. ein gaußförmiges Strahlprofil (zumindest eine inhomogene Ortsverteilung aber ggf. zusätzlich auch inhomogene Winkelverteilung) emittieren. Die Strahlemissionseinheit kann theoretisch auch einen isotropen Strahler umfassen, sofern bei der Einkopplung in den Lichtleiter eine homogene Winkelverteilung vorliegt. Bevorzugt ist aber dann, dass die Strahlungsquelle zusätzliche Elemente umfasst, die aus diesem inhomogenen Profil in einem kleinen Abstandsbereich ein Strahlprofil mit einer homogenen Ortsverteilung macht, oder dass das Strahlformungssystem Linsenmatrizen aufweist. Bevorzugt umfasst die Strahlungsquelle dazu mindestens ein Element der Gruppe Mikrolinsensysteme („Mikrolinsenarray“, z.B. ein fly's eyes), Beleuchtungs-Lichtleiter, Kondensoren (insbesondere Wabenkondensoren) und einfache Linsen. „Beleuchtungs-Lichtleiter“ sind Lichtleiter, welche nur wegen ihrer Funktion bzw. der Anordnung in der Strahlungsquelle so genannt werden, um sie von den Lichtleitern, die sich erfindungsgemäß hinter dem Strahlformungssystem befinden, zu unterscheiden.
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Im Folgenden werden zwei besonders bevorzugte Strahlungsquellen beschrieben, die ein Leuchtmittel umfassen, welches im Grunde ein beliebiges (bevorzugt gerichtetes) inhomogenes Strahlprofil haben kann, z.B. ein Gaußprofil (Ortsverteilung, ggf. auch Winkelverteilung). Eine dieser bevorzugten Ausführungsformen umfasst einen Beleuchtungs-Lichtleiter und eine Einkoppeloptik, welche das Licht des Leuchtmittels in den Beleuchtungs-Lichtleiter einkoppelt. Die andere dieser bevorzugten Ausführungsformen umfasst eine Kondensoroptik, besonders bevorzugt einen Wabenkondensor. Der Beleuchtungs-Lichtleiter kann so ausgeformt sein, wie der erfindungsgemäß hinter dem Strahlformungssystem angeordnete Lichtleiter.
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Eine bevorzugte Ausführungsform einer Strahlemissionseinheit umfasst eine Strahlungsquelle, die nicht unbedingt einen Strahlungskegel mit einer homogenen Ortsverteilung emittieren muss, wobei das Strahlprofil jedoch vorzugsweise symmetrisch zur Strahlachse ist, insbesondere rotationssymmetrisch. Die Strahlungsquelle kann theoretisch eine isotrope Abstrahlung aufweisen, wobei jedoch dann viel Licht entweder nicht nutzbar ist, oder durch zusätzliche Strahlführungselemente (z.B. Spiegel) umgelenkt werden sollte. Hinter der Strahlungsquelle, also zwischen Strahlungsquelle und Lichtleiter, ist ein Wabenkondensor angeordnet, (der insbesondere als Strahlformungssystem fungiert). Die Linsenmatrizen des Wabenkondensors sollten im Abstand der Brennweite der dem Lichtleiter zugewandten Linsen liegen. Diese Strahlemissionseinheit emittiert Strahlung mit einer homogenen Winkelverteilung. Es werden bei dieser Ausführungsform Lichtleiter bevorzugt, die einen großen Kerndurchmesser aufweisen.
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In dem bevorzugten Fall der Transformierung einer homogenen Ortsverteilung in eine entsprechende homogene Winkelverteilung muss die Strahlungsquelle so positioniert sein, dass der Abstandsbereich, in dem ihr Strahlprofil die homogene Ortsverteilung aufweist (welches außerhalb dieses Abstandsbereichs schnell seine Hutform verliert), relativ zum Strahlformungssystem so positioniert ist, dass dieses die homogene Ortsverteilung in eine entsprechende homogene Winkelverteilung transformiert. Dies wird bevorzugt dadurch erreicht, dass die Strahlungsquelle relativ zum Strahlformungssystem so positioniert ist, dass sich der Abstandsbereich mit homogener Ortsverteilung im Brennpunkt des Strahlformungssystems befindet. Ein Strahlkegel soll sich also dort, wo er ein hutförmiges Profil aufweist, im Brennpunkt des Strahlformungssystems befinden.
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Hier sei angemerkt, dass sich aus einer homogenen Ortsverteilung nicht automatisch eine homogene Winkelverteilung ergibt. Eine homogene Ortsverteilung impliziert, dass der Strahlkegel nicht punktförmig ist (da es dann keine Ortsverteilung gäbe), sondern der Strahlquerschnitt eine endliche Ausdehnung aufweist. Durch unterschiedliche Flächenelemente des Strahlquerschnitts können Strahlen mit unterschiedlichen Winkeln verlaufen. Betrachtet man jeweils die Strahlen, die unter einem bestimmten Winkel verlaufen und vergleicht diese mit Strahlen mit anderen Winkeln, so erhält man die Winkelverteilung. Diese ist in den meisten Fällen nicht homogen, wenn eine homogene Ortsverteilung vorliegt.
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Ein bevorzugtes Strahlformungssystem umfasst eine Sammellinse, z.B. eine Konvexlinse oder eine Fresnel-Linse, die insbesondere gleichzeitig als Einkoppellinse (in den Lichtleiter) fungiert. Bevorzugt sind Ausführungsformen, bei denen sich die homogene Ortsverteilung im Brennpunkt dieser Sammellinse befindet. Das Strahlformungssystem kann auch ein Teleskop enthalten. Dies hat den Vorteil, dass je nach Beleuchtungsaufgabe der Fleckdurchmesser bzw. die Winkelverteilung verändert werden kann.
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Wird die homogene Ortsverteilung des von der Strahlungsquelle emittierten Strahlkegels in eine entsprechende homogene Winkelverteilung transformiert, so bedeutet dies, dass in einem Schaubild, in welchem die Winkel linear auf einer Ebene oder einer Achse aufgetragen sind, sich entsprechende hutförmige Profile ergeben (also mit einem ausgeprägten homogenen Bereich), wie bei der Ortsverteilung. Aus einer homogenen Ortsverteilung (im Zentrum des Hutprofils) wird so eine homogene Winkelverteilung in einem bestimmten Winkelbereich. Aus einer homogenen Ortsverteilung ergibt sich also eine Winkelverteilung, die, wenn die Strahlstärke auf der Y-Achse gegen den Winkel auf der X-Achse aufgetragen wird, hutförmig ist. Da die Bezeichnung „hutförmige Winkelverteilung“ unüblich ist (jedoch im Grunde auch verwendet werden könnte) wird diese hutförmige Winkelverteilung hier als „homogene Winkelverteilung“ bezeichnet. Sie könnte bei einem Strahlkegel auch genauer als „bereichsweise homogene Winkelverteilung“ bezeichnet werden.
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Lichtleiter sind im Grunde dem Fachmann bekannt. Der Kerndurchmesser des Lichtleiters ist vorzugsweise so groß, dass viele Fasermoden übertragen werden können, bevorzugt größer als 0,05 mm, insbesondere größer als 0,4 mm. Ein solcher Lichtleiter wird auch als „Multimode-Faser“ bezeichnet. Eine diesbezügliche obere Grenze für den Kerndurchmesser sei bevorzugt 1 mm. Je nach Anwendungen sind aber auch Lichtleiter bevorzugt, die einen sehr geringen Kerndurchmesser aufweisen, z.B. kleiner als 0,05 mm. Auch sind Anwendungen bekannt, in denen der Kerndurchmesser größer als 1 mm, z.B. 2 mm ist. Der maximale Durchmesser ist bevorzugt 10 mm, wobei der Durchmesser bevorzugt geringer als 5 mm ist.
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Der Lichtleiter ist erfindungsgemäß so zum Strahlformungssystem positioniert, dass der transformierte Strahlkegel mit homogener Winkelverteilung mittels des Strahlformungssystems in den Lichtleiter eingekoppelt wird. Durch die Totalreflexionen der homogenen Winkelverteilung in dem Lichtleiter erfolgt eine gute „Durchmischung“ und am auskoppelseitigen Ende des Lichtleiters ergibt sich dann eine homogene Winkel- und Ortsverteilung. Genauer betrachtet liegt in jedem Punkt in der Auskoppelfläche des Lichtleiters die gleiche (homogene) Winkelverteilung vor, mit einem Schwerpunkt senkrecht zur Auskoppelfläche.
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Um möglichst viel Licht am auskoppelseitigen Ende zur Verfügung zu haben und gleichzeitig eine optimale „Durchmischung“ zu erhalten, ist es bevorzugt, dass möglichst die gesamte Eintrittsfläche des Lichtleiters zur Einkopplung des Lichts genutzt wird. Dazu ist (wird) der Lichtleiter bevorzugt so zum Strahlformungssystem positioniert, dass der vom Strahlformungssystem erzeugte Lichtfleck im Wesentlichen auf der kompletten Eintrittsfläche liegt. Die Positionierung bei dieser bevorzugten Ausführungsform ist also dergestalt, dass bei der Einkopplung der vom Strahlformungssystem erzeugte Lichtfleck des transformierten Strahlkegels einen Durchmesser hat, der mindestens 80% des Durchmessers der Einkoppelfläche des Lichtleiters entspricht, bevorzugt mindestens 90%, insbesondere mindestens 99%. Mit „Durchmesser“ ist hier insbesondere ein 1/e2-Durchmesser gemeint, womit 1/e2 ≈86,5 % der optischen Leistung, bzw. Energie innerhalb des angegebenen Durchmessers liegen. Damit kein Licht unnötig verloren geht, sollte bei der Einkopplung der vom Strahlformungssystem erzeugte Lichtfleck des transformierten Strahlkegels nicht größer als die Einkoppelfläche des Lichtleiters sein.
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Bevorzugt ist die Eintrittsfläche des Lichtleiters senkrecht zu dessen Längsachse ausgerichtet. Bevorzugt ist der Lichtleiter gerade ausgeformt (verläuft also nicht gebogen). Beide Ausgestaltungen führen (für sich) zu einer Verbesserung des Erhalts der Winkelverteilung des durch den Lichtleiter propagierenden Strahlkegels, so dass eine Kombination beider Merkmale bevorzugt ist. Bevorzugt ist die auskoppelseitige Stirnfläche des Lichtleiters (also die Austrittsfläche bzw. das „Austrittsfenster“) parallel zur Eintrittsfläche ausgerichtet.
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Die Länge des Lichtleiters ist bevorzugt so bemessen, dass für den größten Ausbreitungswinkel des Strahlkegels innerhalb des Lichtleiters mindestens 10 Reflexionen, bevorzugt mindestens 100 Reflexionen in dem Lichtleiter erfolgen. Die Mindestlänge des Lichtleiters ergibt sich dabei aus der Winkelverteilung der Strahlung nach der Einkopplung („Breite“ der Hutform der Winkelverteilung und der Dicke bzw. dem Durchmesser des Lichtleiters (bzw. der Weglänge zwischen zwei Reflexionen). Sei Δα die Hälfte der „Breite“ der Hutform der Winkelverteilung, also der Grenzwinkel der Hutform, und D der Durchmesser eines zylindrischen Lichtleiters, so würde sich bei koaxialer Einkopplung die minimale Länge L des Lichtleiters für x Reflexionen nach der Formel L > x · D / tan(Δα) berechnen.
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Erfindungsgemäß umfasst die Vorrichtung eine Feldlinse am auskoppelseitigen Ende (der Austrittsfläche) des Lichtleiters. Die Feldlinse ist eine optische Linse, insbesondere eine Sammellinse), die aufgrund ihrer Funktion hier zum besseren Verständnis als „Feldlinse“ bezeichnet wird. Da die Linse am auskoppelseitigen Ende des Lichtleiters und damit an der Objektebene bzw. an einem Zwischenbild liegt, erfüllt sie genau die Funktion einer Feldlinse. Eine Feldlinse hat den Vorteil, dass sie die primären Kenngrößen der Abbildung, wie Abbildungsmaßstab und Lage der Bildebene, nicht beeinflusst, den Verlauf der Strahlen jedoch verändert. Damit verändert eine Feldlinse die Lage der „Pupille“. In dem hier vorliegenden Fall liegt die „Austrittspupille“ der Faser zunächst im Unendlichen und wird durch die Feldlinse in deren bildseitigen Brennpunkt abgebildet.
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Die Feldlinse ist bevorzugt an der dem auskoppelseitigen Ende (der Austrittsfläche) des Lichtleiters abgewandten Seite konvex geformt und mit der anderen Seite mit dem Lichtleiter verbunden oder zumindest nahe am Lichtleiter positioniert. Diese andere Seite ist bevorzugt plan ausgestaltet, zumindest sofern es sich um ein vom Lichtleiter unabhängiges Bauteil handelt, oder hat die Negativform des auskoppelseitigen Endes des Lichtleiters.
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Die Feldlinse ist am auskoppelseitigen Ende des Lichtleiters bevorzugt fest angebracht oder der Lichtleiter an seinem auskoppelseitigen Ende entsprechend ausgeformt. Im Grunde kann die Feldlinse aus einer Vielzahl von transparenten Materialien gefertigt sein, bevorzugt sind jedoch Glas oder Kunststoff (insbesondere ein Polymer). Bei einer Ausformung wird der auskoppelseitige Bereich des Lichtleiters bevorzugt mittels Anschleifen oder Anschmelzen des Faserendes linsenförmig geformt. Die Feldlinse kann beispielsweise auch mit einem optisch transparenten Klebstoff an die Austrittsfläche angeklebt oder gespleißt sein. Es kann auch mittels eines Indexmatchers, z.B. Öl, eine optisch durchsichtige Verbindung hergestellt werden. Die Feldlinse kann auch eine diffraktive Struktur (z.B. eine Fresnel-Linse) sein oder aufweisen, die auf das Faserende aufgebracht ist, beispielsweise durch additive Fertigung. Die Linse kann insbesondere eine Gradientenindexlinse bzw. GRIN-Linse sein, die auf das Faserende aufgesetzt, geklebt oder gespleißt ist.
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Die Feldlinse kann auch als transparent aushärtendes Material in flüssiger Form vorliegen und ausgehärtet werden, bzw. ein transparent aushärtendes Material umfassen, welches in flüssiger Form vorlag und aushärtete. Bevorzugt kann dabei die Feldlinse als transparent aushärtendes Material in flüssiger Form auf das auskoppelseitige Ende des Lichtleiters aufgebracht werden und dort aushärten bzw. kann die Feldlinse ein transparent aushärtendes Material umfassen, welches in flüssiger Form auf das auskoppelseitige Ende des Lichtleiters aufgebracht wurde und dort aushärtete. Diese Aushärtung kann aktiv geschehen oder passiv ablaufen. Ein Vorteil der Verwendung eines solchen flüssigen Materials ist, dass sich die strahlformenden Eigenschaften einfach durch die sich (aufgrund der Oberflächenspannung) konvex ausbildende lichtleiterabgewandte Seite des Materials während seiner flüssigen Phase ergeben können. Bevorzugt ist jedoch eine Fertigung, bei der die Aushärtung des flüssigen Materials zur Formung der Feldlinse gezielt (aktiv) herbeigeführt wird, da sich dadurch die Form der entstehenden Feldlinse beeinflussen lässt. In diesem Rahmen ist eine additive Fertigung besonders bevorzugt, bei der nur spezielle Bereiche des aufgebrachten flüssigen Materials ausgehärtet werden und andere Bereiche des flüssigen Materials anschließend entfernt werden. Diese Aushärtung kann beispielsweise mittels eines Lasers erfolgen (z.B. basierend auf dem 2-Photonen-Effekt). Durch Steuerung der Position des Laserstrahls lassen sich dabei nahezu beliebige Formen durch Aushärtung des flüssigen Materials erzeugen. Beispielsweise ließe sich die Feldlinse auch als diffraktives Element oder als Linsenmatrix formen, welche je nach Anwendung bevorzugte Ausführungsformen der Feldlinse darstellen.
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Bevorzugt sind die Brechungsindizes von Lichtleiter und Feldlinse (und natürlich ggf. auch von Klebstoff bzw. Öl) sehr ähnlich, damit keine störenden Reflexionen an der Grenzfläche Lichtleiter/Feldlinse auftreten. Die Brechungsindizes sollten sich um nicht mehr als 20 % unterscheiden, insbesondere um weniger als 10 %.
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Die Funktionsweise der Erfindung sei im Folgenden am Beispiel eines faserförmigen Lichtleiters (der eine bevorzugte Ausführungsform darstellt) im Falle einer homogenen Ortsverteilung anschaulich erklärt.
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Ein Strahlkegel mit einer homogenen Ortsverteilung wird mittels des Strahlformungssystems in einen Strahlkegel mit einer entsprechenden homogenen Winkelverteilung (und inhomogener Ortsverteilung) transformiert. Dies kann vorzugsweise dadurch erreicht werden, dass man den Bereich, in dem der Strahlkegel die homogene Ortsverteilung aufweist, in den Bereich des Brennpunkts des Strahlformungssystems bringt. Positioniert man in den Bereich des bildseitigen Brennpunkts des Strahlformungssystems das Faserende der Multimodefaser, so erhält man nach einer Anzahl von Totalreflexionen in der Multimodefaser am auskoppelseitigen Faserende („Auskoppelfenster“) eine hutförmige räumliche Lichtverteilung über die Endfläche, wobei die homogene Winkelverteilung des Lichts im Lichtleiter erhalten blieb. Dabei nutzt man die Eigenschaft eines Lichtleiters aus, dass dieser eine Winkelverteilung (zur geometrischen Achse des Lichtleiters; insbesondere bei einer symmetrischen Winkelverteilung vor der Einkopplung) nicht verändert (zumindest sofern er gemäß einer bevorzugten Ausführungsform gerade ausgerichtet ist).
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Das gewünschte homogene Strahlprofil am Ende des Lichtleiters wird also durch eine gute Durchmischung der Strahlung in dem Lichtleiter erreicht. Dazu sollte, wie oben ausgeführt wird, der Lichtleiter bereits am Einkoppelort möglichst vollständig ausgeleuchtet sein. Die homogene Winkelverteilung am Ende des Lichtleiters wird über die Feldlinse in den bildseitigen Brennpunkt der Linse in eine homogene Ortsverteilung transformiert. Dadurch erhält man im Nahfeld der Faser einen vergleichsweise langen Bereich, in dem die Strahlverteilung (Bestrahlungsstärke) wunschgemäß weitgehend homogen ist.
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Die Größe des homogen ausgeleuchteten Flecks im Brennpunkt der Feldlinse hängt von dem übertragenen Winkelbereich Δα (halber Öffnungswinkel, s.o.) und der Brennweite f der Feldlinse ab, wobei gilt: Der Fleckdurchmesser D = 2 f tan (Δα). So kann der Fleckdurchmesser z.B. auf die Größe des Faserkerndurchmessers eingestellt werden, um einen möglichst langen homogen ausgeleuchteten Bereich mit konstantem Durchmesser zu erhalten.
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Sei beispielsweise der Faserkernduchmesser 400 µm, der übertragene Winkelbereich sei tan(Δα) = 0,2. Dann ist bei einer Brennweite der Feldlinse von 1 mm der Fleckdurchmesser im Fokus ebenfalls 400 µm, womit man einen etwa 1 mm langen Bereich nach der Faser erhält, der weitgehend homogen ausgeleuchtet ist und einen konstanten Durchmesser aufweist.
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In einer weiteren Ausführungsform kann der erzeugte lange homogen ausgeleuchtete Bereich mit konstantem Durchmesser über eine nachgeschaltete Abbildungsoptik, bevorzugt Elemente der Gruppe Linsensystem, Einzellinse, Teleskopoptik, Lichtleiter oder diffraktive Optik in einen anderen Ort abgebildet werden.
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Bevorzugte Anwendungen sind in einem Handstück oder in Verbindung mit einem Operationsmikroskop für die medizinische Lasertherapie oder in einer Beleuchtungseinheit, z.B. zur homogenen Ausleuchtung in der Endoskopie. Eine weitere bevorzugte Anwendung sind Faser-Faser-Koppler, um die axiale Dejustagetoleranz zu erhöhen. Bevorzugt ist auch eine Anwendung in Laserschneidköpfen für die Materialbearbeitung, eine Anwendung zur Vergrößerung des optimalen Arbeitsbereiches beim kombinierten Einsatz von Lasertherapie und Operationsmikroskopen und eine Anwendung in Form von Faser-Faser-Kopplern mit größerer Dejustagetoleranz in z-Richtung. Eine bevorzugte Bestrahlungsvorrichtung weist dazu hinter der Feldlinse eine Abbildungsoptik auf, welche so ausgelegt und positioniert ist, dass sie den homogen ausgeleuchteten Bereich hinter der Feldlinse in einen anderen Ort abbildet.
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Bezüglich der Abbildungsoptik ist hervorzuheben, dass für die Länge des homogen ausgeleuchteten Bereichs der axiale Abbildungsmaßstab gilt, der quadratisch zum lateralen Abbildungsmaßstab ist. Dadurch wird beispielsweise bei 10 fach vergrößerter Abbildung der homogene Bereich 100mal länger.
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Die erfindungsgemäße Bestrahlungsvorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Bestrahlungsverfahren ist insbesondere vorteilhaft dort anwendbar, wo eine bestimmte Fläche oder ein Hohlraum (abstandsunabhängig) bestrahlt bzw. ausgeleuchtet werden soll. Beispiele sind Bestrahlungssysteme in Verbindung mit Kamera- oder Videosystemen u.a. für die Qualitätssicherung in der Produktionstechnik oder für die Diagnostik in der Medizin. Besonders vorteilhaft ist die Erfindung im Bereich der lichtleiterbasierenden Beleuchtungs- oder Bestrahlungssysteme einsetzbar, beispielsweise für endoskopische Beobachtungssysteme. Ein weiterer bevorzugter Anwendungsbereich ist die lichtleiterbasierende Bestrahlung zur Materialbearbeitung oder zur Therapie, wie beispielsweise zum Gewebeabtrag oder eine Bestrahlung zur Keimabtötung. Bevorzugt ist eine Anwendung im Rahmen der (Laser-)Lichttherapie. Meist ist eine möglichst homogene Beleuchtung oder Bestrahlung gefordert, um beispielsweise ein homogen ausgeleuchtetes Kamerabild zu erzielen, einen gleichmäßigen Material- oder Gewebeabtrag oder eine über die bestrahlte Fläche homogene Bestrahlungsstärke. Praktische Anwendungen wären z.B. in der Medizin, aber auch in der Industrie, beispielsweise zum Laserbohren von Löchern in Leiterplatten.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann auch auf die Feldlinse verzichtet werden. Dies hat den Vorteil, dass sich über große Bereiche des Fernfeldes hinter dem Lichtleiter ein vergleichsweise großer Bereich mit einer homogenen Bestrahlung ergibt (homogene Winkelverteilung und homogene Ortsverteilung). Jedoch ist in diesem Falle die entsprechende Homogenität im Nahfeld nicht mehr optimal.
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Beispiele für bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Abbildungen dargestellt. Die Figuren zeigen jeweils bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung.
- 1 zeigt den Aufbau einer bevorzugten Ausführungsform.
- 2 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform.
- 3 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform.
- 4 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform.
- 5 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform.
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1 zeigt den Aufbau einer einfachen bevorzugten Ausführungsform umfassend eine Strahlungsquelle 1 mit einer homogenen Ortsverteilung, ein Strahlformungssystem 2, hier in Form einer einzigen Konvexlinse, die als Einkoppellinse ausgestaltet ist, ein Lichtleiter 3, welcher hier z.B. eine Multimode-Faser sein kann, und einer Feldlinse 4. Die Strahlungsquelle 1 und das Strahlformungssystem 2 bilden die Strahlemissionseinheit SE, welche Strahlung (hier einen Strahlkegel) mit einer homogenen Winkelverteilung emittiert. Unter dem Aufbau sind in zwei Ebenen gaußförmige und hutförmige Kurven dargestellt, welche die Ortsverteilung O und die Winkelverteilung W des Strahlprofils in dem jeweiligen Bereich andeuten. Eine gaußförmige Kurve steht für ein inhomogenes Strahlprofil und eine hutförmige Kurve für ein homogenes Strahlprofil.
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Die Strahlungsquelle 1, die beispielsweise ein Laser oder eine LED sein kann, erzeugt zwar ein Strahlprofil mit einer homogenen Ortsverteilung, jedoch nur in einem kleinen Bereich. Im Bereich des Strahlformungssystems 2 hat das Licht eine inhomogene Ortsverteilung, jedoch transformiert das Strahlformungssystem 2 die homogene Ortsverteilung des von der Strahlungsquelle 1 emittierten Strahlkegels in eine entsprechende (hutförmige) homogene Winkelverteilung. Der Lichtleiter 3 ist so positioniert, dass sein Einkoppelfenster 3a im Bereich des Brennpunkts des Strahlformungssystems 2 liegt. Da die Moden des Strahlkegels in dem Lichtleiter 3 „verlaufen“, ergibt sich im Lichtleiter 3 nach einigen Totalreflexionen erneut eine homogene Ortsverteilung. Beim Austritt aus dem Lichtleiter 3 liegt am Austrittsfenster A eine homogene Winkelverteilung und eine homogene Ortsverteilung vor. Durch die Feldlinse bleibt diese besondere Verteilung zumindest innerhalb der Brennweite f' der Feldlinse 4 nahezu bestehen (skizziert durch die nahezu parallelen Striche, die den Strahlverlauf andeuten). Erst danach verläuft der Strahl, was mit auseinanderstrebenden Strichen angedeutet wird. Zum besseren Verständnis sei angemerkt, dass diese Striche hinter dem Lichtleiter nicht den Strahlverlauf in der Strahlenoptik darstellen, sondern die Strahlbegrenzung skizzieren.
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Unter dem Strahlverlauf skizzieren die Kurven die Ortsverteilung und die Winkelverteilung der Bestrahlungsstärke. Im Abstand der Brennweite der Feldlinse 4 ist die Ortsverteilung noch homogen, jedoch ist die Winkelverteilung bereits zu einer Gaußform verlaufen. Dies bedingt, dass im weiteren Verlauf auch die Ortsverteilung zu einer Gaußform verläuft. Dennoch gelingt es mit dieser Vorrichtung das Strahlprofil über einen vergleichsweise großen Bereich homogen zu gestalten.
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In einem praktischen Beispiel kann die homogen leuchtende Emitterfläche einer Leuchtdiode (LED) als Strahlungsquelle 1 in den objektseitigen Brennpunkt des Strahlformungssystems 2 positioniert werden. Dadurch wird die hutförmige räumliche Lichtverteilung der LED-Emitterfläche durch das Strahlformungssystem in eine homogene Winkelverteilung umgewandelt und führt nach Einkopplung in den Lichtleiter 3 zu einer homogenen Ausleuchtung des auskoppelseitigen Endes des Lichtleiters 3, des Austrittsfensters A, mit homogener Winkelverteilung und damit den genannten Vorteilen. Die LED-Emitterfläche sollte dabei kreisförmig sein, um die gewünschte rotationssymmetrische Winkelverteilung nach dem Strahlformungssystem 2 zu erhalten. Alternativ kann unmittelbar vor die LED-Emitterfläche eine kreisrunde Blende gestellt werden. Dadurch nimmt man jedoch einen Lichtverlust in Kauf.
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Hinter der Feldlinse 4 kann optional eine Abbildungsoptik 5 positioniert sein (gestrichelt angedeutet). Diese Abbildungsoptik 5 ist dabei so ausgelegt und positioniert, dass sie den homogen ausgeleuchteten Bereich hinter der Feldlinse 4 in einen anderen Ort abbildet.
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2 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der in 1 dargestellten Ausführungsform. Die Strahlungsquelle 1 umfasst hier ein Leuchtmittel M mit einer inhomogenen Ortsverteilung, deren Licht über eine Einkoppeloptik E, die hier durch eine einzelne Linse dargestellt ist, in einen Beleuchtungs-Lichtleiter L (bevorzugt eine Multimodefaser) eingekoppelt wird. Das Austrittsfenster A des Beleuchtungs-Lichtleiters L liegt im Bereich des Brennpunkts des Strahlformungssystems 2. Nach Austritt des Lichts aus dem Beleuchtungs-Lichtleiter L wird das Licht, welches an dem Austrittsfenster A des Beleuchtungs-Lichtleiters Lein Strahlprofil mit einer (in einem kleinen Abstandsbereich) homogenen Ortsverteilung hat, durch das Strahlformungssystem 2 geführt, wie oben im Rahmen der 1 beschrieben ist. Im Unterschied zu 1 ist die Feldlinse 4 hier als diffraktives Element ausgeführt, z.B. als Fresnel-Linse. Das Austrittsfenster A des Lichtleiters 3 ist dazu in diesem Beispiel entsprechend als Feldlinse 4 ausgestaltet.
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3 zeigt ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Strahlungsquelle 1, welche hier im Unterschied zu 2 keinen Beleuchtungs-Lichtleiter L mit Einkoppeloptik E umfasst, sondern ein gewöhnliches Leuchtmittel M mit einem Strahlprofil mit einer inhomogenen Ortsverteilung und einer homogenen Winkelverteilung, beispielsweise eine Halogenleuchte oder eine Xenon-Kurzbogenleuchte, dessen Licht mittels einer Kondensorlinse K im Bereich des Brennpunktes des Strahlformungssystems 2 fokussiert wird. Im bildseitigen Brennpunkt der Kondensorlinse K wird die isotrop oder homogen abgestrahlte Winkelverteilung des Leuchtmittels M, beispielsweise der Glühwendel oder der Lichtbogen, in eine homogene Ortsverteilung abgebildet. Ansonsten wirkt die Ausführungsform, wie vorangehend beschrieben wurde.
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Zur Verbesserung der Homogenität der Lichtverteilung (Hutform) im objektseitigen Brennpunkt des Strahlformungssystems 2 können weitere Methoden der Homogenisierung verwendet werden. So lassen sich beispielsweise Diffusoren oder Wabenkondensoren (fly's eyes), einsetzen, um beispielsweise aus einem Laserstrahl mit inhomogener Ortsverteilung eine homogene Winkelverteilung im bildseitigen Brennpunkt des Strahlformungssystems 2 zu erzielen. Weitere Elemente zur Homogenisierung sind z.B. diffraktive optische Elemente (DOE), wobei auch das Strahlformungssystem 2 ein diffraktives optisches Element enthalten oder als solches ausgeführt sein kann.
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4 zeigt ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel, ähnlich des in 3 dargestellten Beispiels, mit dem Unterschied, dass die Strahlungsquelle 1 nun einen Wabenkondensor W und eine zusätzliche Linse hinter diesem Wabenkondensor W umfasst. Ansonsten erzeugt die Ausführungsform Strahlprofile mit einer homogenen Ortsverteilung und einer homogenen Winkelverteilung, wie bereits vorangehend beschrieben wurde.
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5 zeigt ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel, umfassend eine Strahlungsquelle 1 und einem Wabenkondensor W, der als Strahlformungssystem 2 fungiert. Die Linsenmatrizen des Wabenkondensors sollten im Abstand der Brennweite der dem Lichtleiter zugewandten Linsen liegen. Diese Ausführungsform ist besonders für Lichtleiter 3 bevorzugt, die einen großen Kerndurchmesser aufweisen. Hier kann die Strahlungsquelle ein inhomogenes Strahlprofil aufweisen, es sollte jedoch symmetrisch zur Strahlachse sein, insbesondere rotationssymmetrisch.
