DE1472267A1

DE1472267A1 - Axially symmetrical light guide device

Info

Publication number: DE1472267A1
Application number: DE19651472267
Authority: DE
Inventors: Ploke Dr Martin
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 1965-06-16
Filing date: 1965-06-16
Publication date: 1969-12-04

Description

Axialsymmetrische Lichtführungseinrichtung Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen, eine erste Blendenöffnung durchsetzenden Lichtstrom mittels spiegelnder Flächen möglichst verlustarm so weiterzuleiten, daß er eine zweite Blendenöffnung durchsetzt. Diese zweite Blendenöffnung kann beispielsweise die Fläche eines physikalischen Empfängers sein. In diesem Fall muß also der die erste Blendenöffnung durchsetzende Lichtstrom so weitergeleitet werden, daß er nur auf die Empfängerfläche trifft.Axially symmetrical light guide device The object of the present invention is to pass on a luminous flux passing through a first diaphragm opening by means of reflective surfaces with as little loss as possible so that it passes through a second diaphragm opening. This second aperture can, for example, be the area of a physical receiver. In this case, the luminous flux passing through the first aperture must be passed on in such a way that it only hits the receiver surface.

Solche Empfänger sind zumeist dafür eingerichtet, Halbraumstrahlung aufzunehmen, d. h. die Empfängerfläche kann durch Strahlung erregt werden, die unter Neigungswinkeln bis zu 90o einfällt. Es kommt also in diesem Fall darauf an, das von einer Lichtquelle oder einer leuchtenden Fläche kommende Licht so auf die Empfängerfläche weiterzuleiten, daß die auftreffende Strahlung eine möglichst große Apertur hat. Im Idealfall müßte die auftreffende Strahlung als Halbraumstrahlung vorliegen. Such receivers are mostly set up to receive half-space radiation, ie the receiver surface can be excited by radiation that is incident at angles of inclination of up to 90o. In this case, it is important to pass the light coming from a light source or a luminous surface onto the receiver surface in such a way that the incident radiation has the largest possible aperture. In the ideal case, the incident radiation should be present as half-space radiation.

Die mit physikalischen Empfängern im UV, Sichtbaren und Infraroten erreichbare Nachweisgrenze kann im allgemeinen durch Verklelnerung der Empfängerfläche verbessert werden. Es liegt hier also das Problem vor, eine von einer Lichtqcielle oder leuchtenden Fläche ausgehende Strahlung auf eine möglichst kleine Empfängerfläche weiterzuleiten. Diese Fläche kann, bedingt durch den Energiesatz eine gewisse Größe nicht unterschreiten. Man muß also die zur Weiterleitung des Lichtes von der Lichtquelle zum Empfänger dienende Vorrichtung unter Beachtung des Energiesatzes aufbauen.The detection limit that can be achieved with physical receivers in the UV, visible and infrared can generally be improved by reducing the receiver area. The problem here is therefore to pass on radiation emanating from a luminous or luminous surface to the smallest possible receiving surface. Due to the law of energy, this area cannot fall below a certain size. The device used to transmit the light from the light source to the receiver must therefore be set up, taking into account the law of energy.

Es ist, @zweckmäßig die Strahlung nicht durch Luft, sondern durch einmaterielles Medium zur Empfängerschicht zu leiten. Bei Benutzung eines Mediums mit der Brechzahl n vergrößert sich die erreichbare Strahlungsdichte um den Faktor n2, so daß die Empfängerfläche entsprechend verkleinert werden kann, bzw. die Strahlung in gleichem Maße stärker konzentriert zur Einwirkung kommen kann. Eine Lichtführungseinrichtung muß demzufolge auch als Immersionssystem ausgebildet werden können.It is useful that the radiation not through air, but through to conduct a material medium to the receiving layer. When using a medium with the refractive index n, the achievable radiation density increases by the factor n2, so that the receiving area can be reduced accordingly, or the radiation to the same extent can be more concentrated to the effect. A light guide device must therefore also be able to be designed as an immersion system.

Es ist bekannt, einen physikalischen Empfänger mit einer halbkugelförmigen Linse aus Germanium (n = 4) zu verkitten. Die von einer Lichtquelle ausgehende Infrarotstrahlung wird durch die vordere Linsenfläche gebrochen und gelangt mit einer vergrößerten Apertur zur Empfängerfläche. Diese Apertur kann jedoch nicht überein gewisses Maß hinaus vergrößert werden, insbesondere ist es unmöglich Halbraumstrahlung zu erreichen. Die Lichtkonzentration.mittels einer Linse oder eines Linsensystems hat ferner den grundsätzlichen Nachteil, daß solche Systeme relativ kompliziert aufgebaut sein müssen, wenn sie mit einem guten Wirkungsgrad arbeiten sollen.It is known to have a physical receiver with a hemispherical Germanium lens (n = 4) to be cemented. The infrared radiation emitted by a light source is broken through the anterior lens surface and arrives with an enlarged Aperture to the receiver surface. However, this aperture cannot match a certain amount in addition, it is impossible to achieve half-space radiation. The light concentration by means of a lens or a lens system also has the fundamental disadvantage that such systems have a relatively complex structure must if they are to work with a good degree of efficiency.

Es ist auch bekannt, zur Konzentration eines Lichtbündels atit' eine %pfängerfläche einen Lonus mit verspiegelter Mantelfläche . zu verwenden, beidem am Ort der Lichteintrittsfläche eine Feldlinse angeordnet ist. Diese bekannte Einrichtung hat den Nachteil, daß sie prinzipielle Abbildungsfehler aufweist und demzufolge die Erreichung von Halbrauinstrahlung nicht ermöglicht. Weiterhin ist in vielen Fällen, insbesondere in der Infrarottechnik die Feldlinse störend, da sie Strahlung absorbiert.It is also known to concentrate a light beam atit ' a % receiver surface a lonus with a mirrored outer surface. to use, both of which a field lens is arranged at the location of the light entry surface. This known device has the disadvantage that it has fundamental imaging errors and consequently does not make it possible to achieve half-surface radiation. Furthermore, in many cases, especially in infrared technology, the field lens is disruptive because it absorbs radiation.

Die hichtfrungseinrichtung nach der vorliegenden Erfindung vermeidet die Nachteile der bekannten Einrichtungen und bringt eine ganze Reihe von Vorteilen mit sich. Insbesondere erfüllt sie alle die eingangs gestellten Forderungen und ist dennoch einfach aufgebaut. Darüberhinaus kann sie zur Lösung einer Vielzahl von Problemen dienen.The framing device according to the present invention avoids the disadvantages of the known devices and has a number of advantages. In particular, it meets all of the requirements set out at the beginning and is nevertheless of simple construction. It can also be used to solve a variety of problems.

Die vorliegende Erfindung betrifft damit eine axialsymmetrische Lichtführungseinrichtung zi#r Aufnahme und verlustarmen Weiterlei-tung eines eine erste Blendenöffnung durchsetzenden Lichtstrohes. Sie besteht aus einer Lichteintrittsfläche, einer asphäriscäen, spiegelnd oder total reflektierenden Mantelfläche und einer Licataustrittsfläche. Gemäß der Erfindung ist die Lantelfläche nach den Regeln der Auffindung asphärischer Flächen so ausgebildet,. daB sie in Meridianschnitt den Rand der ersten Blenderöffnung; auf den, auf derselben Seite der Achse gelegenen Rand einer zweiten, auf die Lichtaustrittsfläche folgenden Blendenöffnung abbildet, wobei für jeden Lichtstrahl die optische Weglänge von einer Blendenöffnung zur nächsten gleich groß ist. Durch die neue Lichtführungseinrichtung wird das die erste Blendenöffnung durchsetzende Licht, abgesehen von Reflexionsverlusten, verlustfrei in die zweite Blendenöffnung weitergeleitet. lrgendwelchdg Linsen sind im allgemeinen nicht er- _ fbrderlich, was sich insbesondere in der Infrarottechnik vorteilhaft auswirkt. Die Reflexionsverluste sind außerordentlich gering" da im 1eridianschnitt einfallende Lichtstrahler. nach zumeist höchstens einmaliger Reflexion von der ersten zur zweiten Blendenöffnung gelangen.The present invention thus relates to an axisymmetric light guide zi # r recording and low-loss forward each processing a first aperture passing through light straw. It consists of a light entry surface, an aspherical, specular or totally reflective surface and a Licat exit surface. According to the invention, the lantern surface is designed according to the rules for finding aspherical surfaces. that in a meridional section it shows the edge of the first aperture; on the, on the same side of the axis, the edge of a second aperture following the light exit surface, the optical path length from one aperture to the next being the same for each light beam. As a result of the new light guide device, the light passing through the first diaphragm opening is passed on into the second diaphragm opening without loss, apart from reflection losses. Any lenses are generally not required, which is particularly advantageous in infrared technology. The reflection losses are extremely low, since light emitters incident in the meridian section mostly pass from the first to the second diaphragm opening after at most a one-time reflection.

Die neue Lichtführungseinrichtung kann als VorwärtsspieGel eingesetzt werden, d.h. sie erlaubt die Weiterführung des durch die erste Blendenöffnung tretenden Lichtes in die zweite Blendenöffnung - die beispielsweise die Empfängerfläche sein kann - ohne Umlenkung des iDtrahleil`ang-es. Zudem kann die neue Lichtführungseinrichtung besonders vorteilhaft im Bereich größerer Aperturen eingesetzt werden, so da(j hier ein einfaches Bauelement zur Verfügung steht.The new light guide device can be used as a forward mirror i.e. it allows the continuation of what is coming through the first aperture Light into the second aperture - which can be the receiver surface, for example can - without redirecting the iDtrahleil`ang-es. In addition, the new light guide device can be used particularly advantageously in the area of larger apertures, so that (j here a simple component is available.

Es ist zwar schon ein aus einer Lichteintrittsflüche einer asphärischen Lantelfläche und einer Lichtaustrittsfläclie bestehender Körper bekannt, doch dient dieser dazu die Dispersion der austretenden Strahlung zu verhindern. Da somit sein Verwendungszweck von.dem der Lichtführungseinrichtung nach der Erfindung abweicht, ist auch seine Mantelfläche nach einem anderen Prinzip ausgebildet und@demzufolge anders geformt. Die neue Lichtführungseinrichtung kann vorteilhaft so ausgebildet werden, daß@eine der Blendenöffnungen mit der Lichteintritts- bzw. Lichtaustrittsfläche zusammenfällt. Sie kann in diesem Fall vor allem dazu verwendet werden, die Apertur eines Lichtbündels zu verändern und insbesondere in Halbraumstrahlung umzuformen. Fällt die zweite Blendenöffnung mit der Lieh :austrittsfläche zusammen, so ist es besonders vorteilhaft (.i ie Empfängerfläche dire'lct auf die Lichtaustrittsfläche aufzusetzen. Das in seiner Apertur geänderte Lichtbündel verläßt die Lichtführungseinrichtung mit dem kleinstmöglichen Querschnitt, der nach dem Energiesatz noch möglich ist. Demzufolge mann eine möglichst kleine Empfängerfläche gewählt werden, die rudern roch mit Halbraumstrahlung beaufschlaöt wird.It is indeed one of an aspherical light inlet curses Lantelfläche and a Lichtaustrittsfläclie existing body known, but serves this to prevent the dispersion of the exiting radiation. So be there Purpose of use deviates from the light guide device according to the invention, its outer surface is also designed according to a different principle and @ accordingly shaped differently. The new light guide device can be advantageous be designed so that @ one of the aperture openings with the light entry or Light exit surface coincides. In this case it can be used primarily for this purpose to change the aperture of a light beam and especially in half-space radiation to reshape. If the second aperture coincides with the Lieh: exit surface, so it is particularly advantageous (.i the receiver surface directly on the light exit surface put on. The light bundle changed in its aperture leaves the light guide device with the smallest possible cross-section that is still possible according to the energy law. As a result, the smallest possible receiving area should be selected for rowing smell is beaufschlaöt with half-space radiation.

Es ist auch möglich, daß eine der beiden Blendenöffnungen im Unendlichen liegt. In diesem Fall trifft also Licht aus einem t,#?.:zentrischen Strahlengang bestimmter Apertur auf die T,i.c!i`.fi:.rungseinrichtung auf, die dieses Licht beispielsweise i n '"-#ibr#aumstrah.iung umwandelt.It is also possible that one of the two apertures is at infinity lies. In this case, light strikes from a t, #?.: Central beam path certain aperture on the T, i.c! i`.fi: .rungseinrichtung that this light for example i n '"- # ibr # aumstrah.iung converts.

B( l. der ;reuen Lichtführungseinrichtung sind aus energetischen Gründen die ßlendenöffnungen sowie die Lichteintritts- und LichtauLtrittsöffnung symmetrisch und unter sich geometrisch ähnlich und die Größen der Lichteintritts- und Lichtaustrittsflächen sowie der Blenden verhalten sich in den mittleren Symmetrieebenen umgekehrt wie die effektiven Aperturen der sie durchsetzenden Lichtbündel. Als effektive Apertur ist hier der Ausdruck definiert (o( = halber Aperturwinkel des durch die Lichteintritts- bzw. Lichtaustrittsfläche tretenden Strahlenbündels, = halber öffnungswinkel des von einem Punkt der zugeordneten Blendenöffnung ausgehenden, durch die Lichteintritts- bzw. Lichtaustrittsfläche tretenden Strahlenbündels.) In manchen Fällen ist es vorteilhaft eine Lichtkonzentration in mehreren Stufen vorzunehmen. In der ersten Stufe wird das Licht beispielsweise mittels eines Objektivs oder eines Teleskopspiegels auf eine bestimmte Apertur verdichtet. Am Bildort ist dann eine Lichtführungseinrichtung angeordnet, die beispielsweise die Umformung in Halbraumstrahlung (relative Apertur in Luft 1 : 0,5) bewirkt. Sofern Empfänger benutzt werden, die sich für den Betrieb mit Imme-sionsoptik eignen, kann sich an die Lichtführungseinrichtung als dritte Stufe ein Immersionskörper der Brechzahl n anschließen, der die relative Apertur auf den Wert 1 : 0,5/n bringt.For energetic reasons, the lumbar openings and the light entry and exit openings are symmetrical and geometrically similar, and the sizes of the light entry and light exit surfaces and the diaphragms in the middle planes of symmetry are reversed to the effective apertures of them penetrating light beam. the effective aperture of the term is defined here (= half the aperture angle of the bundle of rays passing through the light entry or exit surface, = half the opening angle of the bundle of rays emanating from a point of the associated aperture and passing through the light entry or exit surface.) In some cases, it is advantageous to have a light concentration in several In the first stage, the light is compressed to a certain aperture using an objective or a telescope mirror, for example. A light-guiding device is then arranged at the image location, which for example converts it into half-space radiation (relative aperture in air 1: 0.5). If receivers are used that are suitable for operation with immersion optics, an immersion body with the refractive index n can be connected to the light guide device as a third stage, which brings the relative aperture to the value 1: 0.5 / n.

Die neue Lichtführungseinrichtung kann als Spiegelkammer oder als Körper ausgebildet sein. Im letzteren Fa!1 ist es herstellungstechnisch relativ einfach von einem Musterkörper durch Gieß-und/oder Abdrucktechnik auf einfache Weise eine beliebige Anzahl gleicher Körper herzustellen. Auch Spiegelkammern sind auf diese Weise relativ einfach herzustellen, so daß die neue Lichtführungseinrichtung also sehr wenig aufwendig ist. Die Lichtführungseinrichtung kann in einer Vielzahl von Fällen Anwendung finden. So z.B., wie schon erwähnt, in der Infrarottechnik. Ein Spektralphotometer für das Infrarotgebiet kann zweckmäßig mit der neuen Lichtführungseinrichtung ausgerüstet werden. Man erreicht dabei eine Empfindlichkeitssteigerung um etwa den Faktor 2. Damit können bei vorgegebener Empfindlichkel die Lineardimensionen des Gerätes wesentlich verkleine.-t werden, was eine beträchtliche Verbilligung bedeutet. Auch bei Belichtungsmessern kann die neue Lichtführungseinrichtung vorteilhafte Anwendung finden. Sollen sehr kleine Lichtmengen gemessen werden (Dämmerungs-Belichtungsr:-sser) so ist normalerweise die Anzeige recht träge. Verwend @- man die Lichtführungseinrichtung, so wird eine höhere Beleuchtungsstärke des Empfängers erreicht. Dadurch nimmt seine Trägheit ab und man erreidht eine wesentlich schnellere Anzeige. The new light guide device can be designed as a mirror chamber or as a body. In the latter case, it is relatively simple to manufacture any number of identical bodies from a sample body by casting and / or molding technology. Mirror chambers are also relatively easy to manufacture in this way, so that the new light guide device is therefore very inexpensive. The light guide device can be used in a large number of cases. For example, as already mentioned, in infrared technology. A spectrophotometer for the infrared area can expediently be equipped with the new light guide device. A sensitivity increase by about a factor of 2 is achieved. With a given sensitivity, the linear dimensions of the device can be significantly reduced, which means a considerable reduction in price. The new light guide device can also be used advantageously in exposure meters. If very small amounts of light are to be measured (twilight exposure range: -sser), the display is usually quite sluggish. If the light guide device is used, a higher illuminance of the receiver is achieved. This reduces its inertia and you get a much faster display.

Die Lichtführungseinrichtung nach der Erfindung kann über einen großen Spektralbereich Anwendung finden. So liegt eine wesentliche Anwendung im Infrarotbereich bis hin zu großen Wellenlängen. Auch für Radiowellen im cm- und dm-Bereich kann die Lichtführungseinrichtung noch Anwendung finden.The light guide device according to the invention can have a large Spectral range find application. One of the main applications is in the infrared range up to long wavelengths. Can also be used for radio waves in the cm and dm range the light guide device can still be used.

Weitere Anwendungen ergeben sich in Verbindung mit Lichtquellen. So kann z.B. eine Lichtführungseinrichtung in Verbindung mit einem Objektiv dazu dienen, die Strahlung einer lumineszierenden Fläche quantitativ einem Seintillationszähler zuzuführen. Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Ausführungsbeispiele darstellenden Figuren 1 - 7 näher erläutert. Dabei zeigen: Fig. la , einen Schnitt durch eine Lichtführungseinrichtung; Fig. 1b den Schnitt der Fig. la mit der Eintragung der zum Verständnis der weiter unten angegebenen Formeln notwendigen Größen; Fig. 2 einen Schnitt durch eine Lichtführungseinrichtung, bei welcher die zweite Blendenöffnung mit der Lichtaustrittsfläche zusammenfällt; Fig. 3 einen Schnitt durch eine Lichtführungseinrichtung, bei welcher die erste Blendenöffnung im Unendlichen liegt und die zweite Blendenöffriung mit der Lichtaustrittsfläche zusammenfällt; Fig. 4 a - f die in Fig..3 dargestellte Lichtführungseinrichtung beim Einfall von Strahlenbündeln verschiedener Neigung; Fig. 5 eine als Körper ausgebildete Lichtführungseinrichtung, welche mit einer am Ort der Lichtern-. trittsfläche angeordneten Feldlinse einen einheitlichen Körper bildet; Fig. 6 eine als Körper ausgebildete Lichtführungseinrichtung zum Überführen von Halbraumstrahlung in Immersions-Halbraum-Strahlung; Pig. 7a und b Schnitte durch eine als Spiegelkammer ausgebildete Lichtführungseinrichtung, die zur Weiterleitung von durch eine rechteckige Blende tretendem Licht auf eine quadratische Fläche dient.Further applications arise in connection with light sources. So For example, a light guide device in connection with an objective can be used to the radiation of a luminescent surface quantitatively a sintillation counter to feed. The invention is described below with reference to the exemplary embodiments FIGS. 1 - 7, which represent the illustration, are explained in more detail. They show: FIG. 1 a, a section by a light guide device; Fig. 1b shows the section of Fig. La with the entry the quantities necessary to understand the formulas given below; Fig. 2 shows a section through a light guide device in which the second diaphragm opening coincides with the light exit surface; 3 shows a section through a light guide device, in which the first aperture is at infinity and the second aperture coincides with the light exit surface; Fig. 4 a - f shown in Fig..3 Light guiding device at the incidence of beams of different inclinations; 5 shows a light guide device designed as a body, which is equipped with an am Place of lights-. The field lens arranged on the tread surface forms a unitary body forms; 6 shows a light guide device designed as a body for transferring from half-space radiation to immersion half-space radiation; Pig. 7a and b sections through a light guide device designed as a mirror chamber, which is used for forwarding from light passing through a rectangular aperture is used on a square surface.

`In Fig. 1 ist mit 1, eine erste und mit 2 eine zweite Blenden-- öffnung bezeichnet. Zwischen diesen ist in Luft eine Spiegelkammer 3 angeordnet. Diese weist eine Lichteintrittsfläche 4, eine asphärische Mantelfläche 5 und eine Lichtaustrittsfläche 6 auf. Im dargestellten Meridianschnitt sind die Mantellinien der Spiegelkammer 3 Ellipsen mit den Brennpunkten F1, F2 für die untere und F3, F4 für die obere Ellipse. ,.`In Fig. 1, 1 is a first and 2 is a second aperture designated. Between these, a mirror chamber 3 is arranged in the air. This points a light entry surface 4, an aspherical jacket surface 5 and a light exit surface 6 on. In the shown meridional section, the surface lines of the mirror chamber are 3 ellipses with focal points F1, F2 for the lower and F3, F4 for the upper ellipse. ,.

Von den Eckpunkten F1 und F3 der Blende 1 gehen Lichtstrahlen aus, welche die Lichteintrittsfläche 4 ausfüllen und den Winkel 2 @1 einschließen. Verfolgt man den gestrichelten Kreis durch die..Punkte F,, F2 und die Eckpunkte der Lichteintrittsfläche 4, so erkennt man, daß z.B. die von F1, F2 zum oberen oder unteren Eokpunkt von 4 gehenden Strahlen den Winkel 2v1 einschließen. Nach Durohtritt des Lichtes durch die Spiegelkammer 4 schließen die zu den Blendeneckpunkten F3, F4 gehenden Strahlen den Winkel 2 p 2 ein. Die durch die Punkte F3, F4 zum oberen oder unteren Eckpunkt der Lichtaustrittsfläche 5 gehenden Strahlen schließen den Winkel 2d2 ein.Light rays emanate from the corner points F1 and F3 of the diaphragm 1 and fill the light entry surface 4 and enclose the angle 2 @ 1. If one follows the dashed circle through the points F, F2 and the corner points of the light entry surface 4, one recognizes that, for example, the rays going from F1, F2 to the upper or lower point of 4 enclose the angle 2v1. After the light has passed through the mirror chamber 4, the rays going to the diaphragm corner points F3, F4 enclose the angle 2 p 2. The rays passing through the points F3, F4 to the upper or lower corner point of the light exit surface 5 enclose the angle 2d2.

In Fig. 1b sind nur zwei Randstrahlen eingezeichnet, die wegen der Ellipsenform der Mantellinien der Spiegelkammer 3 zwischen F1 und F2 die gleiche optische Länge besitzen müssen. Daraus folgt ohne weiteres tür die Strecken x1 und x2: xj s aca Drückt man diese Strecken durch andere Parameter aus, so kommt . man schließlich zu der Formel Für einen-ideal abbildenden Optikkörper, der ein telezentrisches Strahlenbündel ( il = o) mit dem Öffnüngswinkela(1 in ein tele- zentrisches Strahlenbündel (@2@ = o).mit dem Öffnungswinkel0( 2 umwandelt und dessen Lichteintritts- bzw. Lichtaustrittsflächen Kreisflächen mit den Radien al und a2 sind, gilt der Energie- satz in der Form a1 sind = n # a2 , sin 0(2 In Luft gilt: a1 sind = a@ sind- 2 (2) Ein Vergleich,der Formeln (1) und (2) zeigt, daß bei einem endlichen Winkel @.! der Ausdruck sind erse tzt werden mu8 durch sinat/QOB//t . Analog zu der bekannten Definition der relativen Apertur eines Objektive 1 : k m 2n ein oE. läßt sich also bei endlichem Winkel /? eine effektive Apertur definieren durch Ein Vergleich der Formeln (1) und (2) zeigt ferner, daß für die Lichtführungseinrichtung nach Fig. 1 dem Energiesatz in der weise Rechnung zu tragen ist, daß der endliche Winkel be- rückeichtigt»werden mu8, wie dies in Formel (1) angegeben ist. Bei der Lichtführungseinrichtung nach lig. 1 sind die öffnungep bi und b2 der Blenden und a1 und a2 der Kammer 3 durch folgende Gleichungen verknüpft: Für die Längenabmessungen gilt: 11 s (a1 + b1) cot (d i +fl1) 12 = (a1 + a2) cot (c< l -,#1) 13 = (a2 + b2) c o t (d 2 +J/f2) Bei Vorgabe von b1, b2, 11 und a1 und unter der Voraussetzung b1 > a1 sind also in den durch den Energiesatz gegebenen Grenzen sämtliche anderen Größen bestimmt. Die Form der Ellipsen kann zeichnerisch leicht aus der Bedingung der Konstanz des Lichtwegen der Strahlen zwischen F1, F2 bzw. F3, F4 bestimmt werden. In Fig. 2 ist mit 7 ein Objektiv bezeichnet, das in der Bildebene Licht auf die Apertur 1 : 1,2 verdichtet. Mit 8 ist eine Spiegelkammer bezeichnet, welche eine asphärische Mantelfläche 9 aufweist. Die erste Blendenöffnung fällt hier mit der Austrittspupille 10 des Objektivs 7 zusammen, während die zweite Blendenöffnung mit der Lichtaustrittsfläche 11 der Spiegelkammer 8 zusammenfällt. Die Spiegelkammer 8 formt das eintretende Licht in Halbraumstrahlung (o(2 - 900) um, d. h. sie bewirkt eine weitere Lichtverdichtung auf die Endapertur in Luft 1 : 0,5. Ein Empfänger wird gegebenenfalls direkt an die Lichtaustritts= fläche 11 gelegt. Sofern Empfänger benutzt werden, die sich f& den Betrieb mit Immersionsoptik.eignen, kann sich an die Spiegelkammer 8 als dritte Stufe ein Immersionskörper der Brech- gahl in anschlieBer4 der die Apertur vom Wert 1 :-0,5 auf den Wert 1 : 0,5/n bringt. Wahlweise kann aber auch der Immersions- körper so ausgelegt werden, daB er die Funktion der Spiegel- kammer mi tUbernimmt. Fig. 3 zeigt eine Spiegelkammer 12, bei welcher die erste Blendenöffnung im Unendlichen liegt und die zweite Blenden- Öffnung mit der Lichtaustrittsfläche 14 zusammenfällt. Auf die Lichteintrittsfläche 15 fällt also ein unter dem Winkeid einfallendes, paralleles Strahlenbündel, das im dargestellten Meridiansehnitt auf den Eckpunkt E der Lichtaustrittsfläche 14 konzentriert wird. Das unter dem Winkelo(l einfallende Licht wird in ein Bündel mit dem maximalen üffnungswinkel 4( 2 = 90o (Sndapertur in Luft 1 : 0,5) verwandelt. Die Spiegelkammer nach Fig. 3 ist ein Spezialfall der Spiegel- kamer nach Fig. 1 und zwar für den Sonderfall fli = o, 92 = 90 -0(2 = o. Unter diesen Bedingungen wird bi =CO , b2.= a2,t7@2 = 90o. Die Gleichung (1) geht über in a2 = a1 sind. t Ferner wird 11 =C» und 13 = o. Die Gleichung für 12 geht aber in 12 = (ai + a2) cot 0C1 und die Mantellinien 13 entarten in Parabeln, wobei im einge- zeichneten u, v-Koordinaten system die obere Mantellinie die Gleichung v2 - 2pu hat. Da die untere Mantellinie symmetrisch zur Mittellinie liegt, sind.durch diese Gleichungen alle Abmessungen festgelegt. Um die Lichtkonzentrationseigensehäften der Spiegelkammer nach Fig. 3 deutlich zu machen, sind in den Fig. 4 a - f die Strahlen- gänge im Meridiansehnitt für verschiedene Neigungen des ein- fallenden Parallelstrahlenbündels dargestellt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind beim Neigungswinkel o(- 400 ein Teil der Strahlen in Fig. 4e und ein anderer Teil in Fig. 4f dargestellt. Die Spiegelkammer ist für einen Aperturwinkel v(1 = 30o ausge- legt. Man sieht, daß die Spiegelkammer für Neigungswinkel 0o - 30o. lichtdurchlässig ist, für größere Neigungswinkel jedoch als Reflektor wirkt. Weiter ist zu sehen, daß an der Lichtaustrittefläche Neigungswinkel bis zu c# 2 m 900 vorkommen. Der Neigungswinkel 0( 1=#30 o spielt also die Rolle eines Orenz- winkeln. Die Spiegelkammer -hat demnach die, Eigenschaft aus einem Strahlungsfeld, la.dem:alle möglichen Winkel vorkommen, nur Lichtstrahlen mit Neigungswinkeln bis zu 30o herauszuechnelden. Sie wirkt somit als Aperturbegrenzerund verdichtet Lichtbündel der Grenzapertur auf Hdlbraumstrahlung. Diese Eigenschaften machen die Spiegelkammer beispielsweise als Vorsatzoptik für einen Belichtungsmesser geeignet, der maximal den halben Bild- winkel 0(1 - 300 besitzen soll. Zugleich hat die Spiegelkammer die Eigenschaft, das Licht auf die im Verhältnis zur Lichtein- trittsfläche kleinstmögliche Lichtaustrittsfläche zu verdichten. Bemerkenswert ist, daß im Durchlaßbereioh die eindringenden Strahlen im allgemeinen nur einmal an der Wandung der Spiegel- kammer reflektiert werden. Lediglich einige wenige parallel oder nahezu parallel zur Achse einfallenden Strahlen sowie vermutlich auch windschiefe Strahlen erleiden mehr als eine Reflexion. Bei der Reflexion etwa vorkommende Lichtverluste treten in geringerem Maße auf, wenn die Mantelfläche total reflektiert. Dies ist der Fall, wenn die Spiegelkammer durch, einen Körper aus einem durchsichtigen Material der Brechzahl n ersetzt wird. Solche Körper können im Meridianaehnitt Mantellinien aufweisen, die s.B. teils aus Geraden teils aus Parabeln bestehen. Materielle, durchsichtige Körper sind wegen der Brechung des Lichtes im allgemeinen schlanker als Spiegelkammern. Abhilfe gegen zu große Baulänge schafft. die Vereinigung des Körpers mit einer Feldlinse, die sich auf der Seite der kleineren Apertur befindet. .. Bin solcher Körper 16 ist in Flg. 5 dargestellt.' Die Licht- eintrIttgfläche 17 hat Kugelgestalt und ist so stark gekrtimmt, daß sie die unter dem ürerizwinkela£1 einfallenden Liehtatrahlen gerade roch aufnimmt. Die nach den Methoden zur Auffindung asphärischer Flächen ermittelten Mantellinien sind angenähert Geraden. Das einfallende Licht wird auf die Endapertur von 0,5 verdichtet. An die Lichtaustrittsfläche 18 schließt sich hier ein Lichtleitstab 19 an. Damit der Körper in Jedem Falle seine Funktion erfüllt, muß seine Mantelfläche an den Stellen, an denen sie nicht totalreflektierend wirkt, mit r einem.-rpiegelbelag versehen sein. Dies gilt insbesondere auch für den an den Körper anschließenden Lichtleitstab 19. In Fig. 1b only two marginal rays are drawn, which must have the same optical length because of the elliptical shape of the surface lines of the mirror chamber 3 between F1 and F2. From this it follows without further ado for the distances x1 and x2: xj s aca If one expresses these distances by other parameters, the result is. one finally to the formula For an ideal imaging optical body that has a telecentric Beam bundle (il = o) with the opening angle a (1 in a tele- centric bundle of rays (@ 2 @ = o). with the aperture angle 0 (2 converts and its light entry or light exit surfaces Are circular areas with the radii a1 and a2, the energy sentence in the form a1 are = n # a2, sin 0 (2 In air: a1 are = a @ are- 2 (2) A comparison of formulas (1) and (2) shows that in one finite angle @.! the expression are must be replaced by sinat / QOB / / t . Analogous to the well-known definition of relative Aperture of an objective 1: km 2n an oE. can therefore with a finite angle /? an effective aperture define by A comparison of formulas (1) and (2) also shows that for the light guide device according to FIG. 1 the energy set in the must be taken into account as that of the finite angle loading back verifiable Untitled "are as indicated in formula (1) MU8. In the light guide device according to lig. 1 are the openings p bi and b2 of the diaphragms and a1 and a2 of chamber 3 are linked by the following equations: The following applies to the length dimensions: 11 s (a1 + b1) cot (d i + fl1) 12 = (a1 + a2) cot (c <l -, # 1) 13 = (a2 + b2) cot (d 2 + J / f2) If b1, b2, 11 and a1 are given and under the condition b1 > a1, all other quantities are determined within the limits given by the energy law. The shape of the ellipses can easily be determined graphically from the condition of the constancy of the light path of the rays between F1, F2 or F3, F4. In Fig. 2, 7 denotes an objective which compresses light to the aperture 1: 1.2 in the image plane. A mirror chamber is designated by 8, which has an aspherical lateral surface 9. The first diaphragm opening here coincides with the exit pupil 10 of the objective 7, while the second diaphragm opening coincides with the light exit surface 11 of the mirror chamber 8. The mirror chamber 8 converts the incoming light into half-space radiation (o (2 - 900), ie it effects a further compression of light on the end aperture in air 1: 0.5 area 11 placed. Provided that recipients are used that are f & suitable for operation with immersion optics. can contact the Mirror chamber 8 as the third stage an immersion body of the crushing Subsequently, he adjusted the aperture of 1: -0.5 to the Value 1: 0.5 / n brings. Alternatively, the immersion body are designed in such a way that it fulfills the function of the mirror Chamber with takes over. Fig. 3 shows a mirror chamber 12, in which the first Aperture is at infinity and the second aperture Opening coincides with the light exit surface 14. on the light entry surface 15 thus falls at the beckoning incident, parallel bundle of rays, which is shown in Meridian section on corner point E of the light exit surface 14 is concentrated. The light falling under the Winkelo (l is in a bundle with the maximum opening angle 4 ( 2 = 90o (Sndapertur in air 1 : 0.5) transformed. The mirror chamber according to Fig. 3 is a special case of the mirror kamer according to Fig. 1 for the special case fli = o, 92 = 90 -0 (2 = o. Under these conditions, bi = CO , b2. = a2, t7 @ 2 = 90o. Equation (1) turns into a2 = a1. t Furthermore, 11 = C »and 13 = o. The equation for 12 works but in 12 = (ai + a2) cot 0C1 and the surface lines 13 degenerate into parabolas, whereby in the u, v coordinate system drew the upper surface line the equation v2 - 2pu Has. Since the lower surface line is symmetrical to the center line, all dimensions are determined by these equations. Around the light concentration properties of the mirror chamber To make Fig. 3 clear, the rays in Figs. 4 a - f passages in the meridian section for different inclinations of the entrance falling parallel beam shown. Because of The angle of inclination o (- 400 is part of the Rays shown in Fig. 4e and another part shown in Fig. 4f. The mirror chamber is designed for an aperture angle v (1 = 30o lays. You can see that the mirror chamber for angles of inclination 0o - 30o. is translucent for larger angles of inclination however acts as a reflector. It can also be seen that at the Light exit surface inclination angles up to c # 2 m 900 occur. The angle of inclination 0 (1 = # 30 o thus plays the role of an Orenz angle. The mirror chamber therefore has the property of one Radiation field, where: all possible angles occur, only To project light rays with angles of inclination of up to 30o. It thus acts as an aperture limiter and condenses light beams of the limit aperture on space radiation. These properties make the mirror chamber, for example, as an attachment lens for a light meter suitable for a maximum of half the image angle 0 (1 - 300 should have. At the same time, the mirror chamber the property, the light on the in relation to the light incidence compacting the smallest possible light-emitting surface. It is noteworthy that in the passage area the penetrating Rays generally only once on the wall of the mirror chamber to be reflected. Only a few in parallel or rays incident almost parallel to the axis as well presumably skewed rays suffer more than one Reflection. On reflection about light losses occurring occur to a lesser extent when the surface area is total reflected. This is the case when the mirror chamber is a body made of a transparent material with the refractive index n is replaced. Such bodies can have surface lines in the meridian section, the sB consist partly of straight lines partly of parabolas. Material, transparent bodies are because of the refraction of the Light generally slimmer than mirror chambers. remedy against too great a length. the union of the body with a field lens that is on the side of the smaller one Aperture is located. .. Such a body 16 is in Flg. 5 shown. ' The light- Entrance area 17 has a spherical shape and is so strong that it that they are the rays of Liehta falling under the ürerizwinkela £ 1 just smelled absorbs. The surface lines determined by the methods for finding aspherical surfaces are approximately straight lines. The incident light is compressed to the end aperture of 0.5. A light guide rod 19 adjoins the light exit surface 18 here. So that the body fulfills its function in any case, its outer surface must be provided with a mirror covering at the points where it does not have a totally reflective effect. This is especially true for the subsequent to the body Lichtleitstab 19th

Fig. 6 zeigt einen zum Überführen von Halbraumstrahlung in Immersions-Halbraumstrahlung dienenden Körper 20. Dieser Körper weist parabeltörmige Mantellinien 21 auf. An die Lichtaus- . trittsfläche@22 schließt sich ein Lichtleitstab 23 an, der ebenso wie der Lichtleitstab 19 mit einem - nicht dargestellten -Spiegelbelag versehen ist. Fig. 6 shows a serving for the transfer of half-space radiation in immersion half-space radiation body 20. This body has parabeltörmige coat routes 21. To the light out . Step surface @ 22 is followed by a light guide rod 23 which , like the light guide rod 19, is provided with a mirror coating ( not shown ).

Die Fig. 7a und 7b zeigen Schnitte in zwei zueinander senk- rechten Symmetrieebenen durch eine Spiegelkammer 24. Diese Kammer dient zur Weiterleitung eines durch einen rechteckförmigen Spalt (Abmessungen 4 x 3 mm) austretenden Lichtes auf eine quadratische Fläche (Abmessungen 1,37 x 1,37 mm). In dem in Fig. 7a dargestellten Aufriß wird die unter einem Grenzwinkel von @1 = 200 einfallende Strahlung in Halbraumstrahlung verdichtet. Gemäß dem Energiesatz gilt: . In dem in Fig. 7b dargestellten Grundritt ist die Eintrittsfläche kleiner als in Fig. 7a. Da die Länge der Spiegelkammer von der Größe der Lichteintrittsfläehe abhängt, muß hier ein gewisser .Längenausgleich geschaffen werden. Dies wird durch den, durch parallele Spiegelflächen begrenzten Bereich 25 erreicht. Im Bereich 26 hat die Spiegelkammer, ebenso wie in Fig. 7a 'parabelförmige Mantellinien. Im Bereich 27 weist die Spiegel- kammer 24 die Form eines Konus auf. Dieser Konus ist notwendig, da nach dem Energiesatz lediglich eine Umformung des unter dem Grenzwinkels 1 = 200 einfallenden Lichtes in Licht eines Winkels a(, = 48,60 möglich ist. Für diesen Winkel ist: Es ist noch zu bemerken,daß die Mantellinien der Bereiche 25,26,27 tangential ineinander übergehen. FIGS. 7a and 7b show sections in two mutually perpendicular right symmetry planes through a mirror chamber 24. This chamber is used for forwarding a by a rectangular gap (dimension 4 x 3 mm) emerging light to a square area (dimensions 1.37 x 1 , 37 mm). In the elevation shown in FIG. 7a, the radiation incident at a critical angle of @ 1 = 200 is condensed into half-space radiation. According to the law of energy:. In the basic step shown in FIG. 7b, the entry area is smaller than in FIG. 7a. Since the length of the mirror chamber depends on the size of the light entry surface , a certain length compensation must be created here. This is achieved by the region 25 delimited by parallel mirror surfaces. In the area 26, the mirror chamber, as in FIG. 7a ', has parabolic surface lines. In the area 27, the mirror chamber 24 has the shape of a cone. This cone is necessary because, according to the law of energy, only a conversion of the light incident at the critical angle 1 = 200 into light of an angle a (, = 48.60 is possible. For this angle: It should also be noted that the surface lines of the areas 25, 26, 27 merge tangentially into one another.

Die in Fig. 7 dargestellte Spiegelkammer findet besonders vor- teilhafte Anwendung in Photometern, insbesondere im Infrarot- bereich. Sie dient dort zur Weiterleitung den durch einen recht- eckigen Austrittsspalt tretenden Lichtes auf einen quadratischen Empfänger. Da dieser bei Verwendung der Spiegelkammer mit Licht hoher Apertur beaufschlagt wird und da zudem seine Fläche sehr klein gehalten werden kann, erzielt man eine Sehr hohe Empfind- lichkeit. The mirror chamber shown in Fig. 7 will Particularly advantageous application in photometers, in particular in the infrared range. There it is used to transmit the light emerging through a rectangular exit slit to a square receiver. Since this is exposed to light with a high aperture when the mirror chamber is used and since its area can also be kept very small, a very high sensitivity is achieved.

Die beschriebenen und dargestellten Körper und Spiegelkammern .können beliebigen, vorzugsweise symmetrischen, z.B. rechteckigen, quadratischen oder kreisförmigen Querschnitt haben. Die Form des Querschnitts wird immer nach der jeweils vorliegenden Aufgabe gewählt.The bodies and mirror chambers described and shown can have any, preferably symmetrical, for example rectangular, square or circular cross-section. The shape of the cross-section is always chosen according to the task at hand.

Claims

- claims 1. Axially symmetrical light guide device for recording and low-loss Vleiterleitung a first aperture penetrating luminous flux, consisting of a light entry surface, aspherical, specular or totally reflective Outer surface and a main exit surface, thereby marked, net, that this square surface is asphalt according to the rules of Rischer surfaces is designed so that they are in a leridian section the edge of the first aperture on the same side the axis located edge of a second, on the light exit = the following aperture, whereby for each light beam the optical path length from one aperture to the next most is the same size. 2. Light guide device according to claim 1, characterized gekernzeich-- net that one of the orifices with the light entry or: Light exit surface coincides. _. Light guide device according to claim 1 or 2, characterized in that ; ews: @ ri @ = - ".. draws "that one of the two apertures is at infinity lies. .:, ..- 4. Light guide device according to claims 1 to 3, dadur4ü characterized that the aperture openings as well as the hichtein - ` entry and exit opening symmetrical and under each other;.,., are geometrically similar. _ 3. Licbtfühzungseinrichtung according to claim 2, thereby giekenri »ichnot, .e @ ' ` That light entry and light exit surface Reehtacke from ve different aspect ratios aind: !.

6. Light guide device according to claim 2, characterized in that one of the aperture openings with the entry or. The exit pupil of an objective or telescope mirror is identical. 7. Light guide device according to claim 2, characterized in that the light entry or light exit surface that coincides with a diaphragm opening is followed by a further light guide device or a light guide rod. B. Light guiding device according to claim 1, characterized in that the surface lines in the meridional section are ellipses , the focal points of which coincide with the limiting points of the diaphragms located in the same section on the other side of the axis. 9. Light guide device-naeh claims 2 and 3, characterized in that the surface lines in the meridional section are parabolas, the focal points of which coincide with the respective opposing delimitation points of those light entry and light exit openings which also represent the aperture. 10. Light guide device according to claims 1-7, characterized in that the surface lines determined according to the rules for finding aspherical surfaces are composed of pieces of elliptical, parabolic, hyperbolic and / or straight- line character. 11. Light guide device according to claims 1 -. 10, characterized in that the width, the light entry and Liaht exit areas as well as the diaphragms in the middle 47mnetrieebenen are inversely to the effective apertures of them . penetrating light beam behave. 12, light guiding device according to one or more of claims 1-11, characterized in that in-going at the location of the light and / or light exit surface of a field lens is arranged reasonable. 13. Light guide device according to claim 12, characterized in that the field lens and the light guide device form a unitary body. 14. Light guide device according to claim 1 in the application for converting half-space radiation into immersion half-space radiation, characterized by the design as a uniform body with a flat, geometrically similar light entry and light exit surface, the sizes of which are in the ratio of the square of the refractive index of the body to each other and their surface lines in each meridional section there are parabolas whose focal points coincide with the opposite corner points of the light exit surface .