DE19840769A1 - Vorrichtung zur Verbesserung des Strahlproduktes und Kaskaden von mehreren dieser Vorrichtungen - Google Patents

Abstract

Eine Vorrichtung zur Verbesserung des Strahlproduktes eines Stammlichtbündels (3) oder eines Stammlichtfächers (3, 3') mit einer Blendenöffnung (2), die nur ein Ausgangslichtbündel oder einen Ausgangslichtfächer (3'') mit verringertem Strahlprodukt durchläßt, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Blendenöffnung (2) von einer ersten Spiegelfläche (6; 62) umgeben oder in einer ersten Spiegelfläche (6; 62) ausgebildet ist und ein optisches System (6; 15, 20, 22, 30, 32, 24, 26) vorgesehen ist, zu dem die Spiegelfläche (6; 62) das nicht durch die Blendenöffnung (2) fallende Licht des Stammlichtbündels oder des Stammlichtfächers (3, 3') reflektiert, und dieses optische System (6; 15, 20, 22, 30, 32, 24, 26) dieses Licht wieder in das Stammlichtbündel (3) oder den Stammlichtfächer (3, 3'), insbesondere mit einem Winkel zu diesem, verschoben zu diesen und/oder vergrößert oder verkleinert, verändert einleitet.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Verbesserung des Strahlproduktes eines Stammlichtbündels oder eines Stammlichtfächers mit einer Blende, die nur ein Ausgangslichtbündel oder einen Ausgangslichtfächer mit verringertem Strahlprodukt durchläßt. Weiter bezieht sich die Erfindung auf Kaskaden dieser Vorrichtungen.

Ein Grundsatz der Optik sagt aus, daß ein Lichtbündel oder ein Lichtfächer nicht auf einen beliebig kleinen Fleck fokussiert oder beliebig genau parallelisiert werden kann. Wichtige Größe zur Beschreibung dieses Sachverhalts ist das Strahlprodukt, häufig als Durchmesser des Lichtbündels multipliziert mit dem Divergenzwinkel oder richtiger mit dem Sinus des Divergenzwinkels angegeben. Dieses Strahlprodukt ist im allgemeinen erhalten, d. h. es kann durch Linsen oder Spiegelsysteme allein nicht wesentlich verringert werden.

Schon wegen der immer gegebenen räumlichen Ausdehnung, beispielsweise eines Lichtbogens oder Leuchtwendels, bei der Erzeugung von Licht einer herkömmlichen Lichtquelle kann das erzeugte Licht nicht auf einen beliebig kleinen Fleck fokussiert werden. Insbesondere kann auch kein beliebig paralleles Lichtbündel, das man aus einem auf einen Punkt fokussierten Lichtbündel, beispielsweise mit einem Hohlspiegel mit diesem Punkt als Brennpunkt gewinnen könnte, erzeugt werden.

Für hochparallele Lichtbündel muß man gegenwärtig auf Lasersysteme zurückgreifen. Laser sind bei entsprechender Leistung teuer. Außerdem müssen Laser mehrerer Kilowatt Leistung eingesetzt werden, um einige Watt verwendbarer Lichtleistung erzeugen zu können.

Bei bisherigen fokussierenden Systemen, wie beispielsweise Scheinwerfern und insbesondere Spotlichtern, wird eine Verbesserung des Strahlproduktes mittels einer Blende erreicht, die einen geeigneten Divergenzbereich aus einem fokussierten Lichtbündel bzw. ein Teillichtbündel geeigneten dazugehörigen Durchmessers aus einem erzeugten Lichtbündel separiert, das dann zur weiteren Strahlformung eingesetzt wird.

Bei extrem kleinen Blenden hätte dies den Nachteil, daß ein Großteil der erzeugten Leistung verloren ginge, was einen großen Kühlaufwand erfordern würde.

Das bei Lasern erreichte Strahlprodukt liegt unterhalb von einem Tausendstel dessen von üblichen Lichtquellen. Das bedeutet, wenn man mit der Blendentechnik ein ähnliches paralleles Lichtbündel wie mit Lasern erhalten wollte, würde man wegen des Quadrats des Durchmessers bei der Leistung nur ein Millionstel der ursprünglichen Lichtleistung ausnutzen können.

Der Bedarf an hochparallelen Lichtbündeln großer Leistung steigt aber immer mehr, wobei man jedoch, wenn Interferenzen störend sind, eine hohe Kohärenz des Lichts, wie bei Laserstrahlen, in vielen Fällen vermeiden will. Als Beispiel sei dafür die Videotechnik mit Licht genannt. Bei einer bekannten Technik wird ein Laserlichtbündel schnell auf einem Schirm gerastert und Farbe sowie Intensität des Lichtbündels entsprechend der Bildpunktinformation eines Videobildes synchron mit dem Auftreffort des Lichtbündels auf dem Schirm geändert. Bei dieser Anwendung werden Laser eingesetzt, da diese als einzige die erforderliche hohe Parallelität aufweisen. Bei kohärenten Lichtstrahlen entstehen jedoch Interferenzeffekte, die im Videobild als glitzernde Flecken auftreten und als äußerst störend vermieden werden sollten.

Wenn nach dem bisherigen Stand der Technik auch nicht erwartet werden kann, daß das erforderliche Strahlprodukt für diese Art der Videoprojektion mit irgendeiner Art von Blendentechnik auf einfache Weise erreicht werden könnte, wäre ein erhöhtes Strahlprodukt auch für andere Techniken äußerst erwünscht. Hier sei die Technik der Kippspiegelmatrixen zu nennen, die auch unter dem Namen DMD (Digital Mirror Device) bekannt und von der Firma Texas Instruments erhältlich sind. Bei dieser Technik werden in einer Matrix angeordnete Spiegel zur Darstellung eines gerasterten Bildes je nach Bildpunktinformation entweder in eine bestimmten Richtung zum Abbilden geschaltet oder in eine dazu geneigten Richtung. Ein mittels eines Kippspiegels dargestellter Bildpunkt erscheint bei Kippung in die eine Richtung hell und in die andere Richtung dunkel.

Der Kontrast zwischen Hell und Dunkel hängt unter anderem von der Winkeldivergenz des einfallenden Lichtbündels ab. Gleichzeitig sollte das Lichtbündel auf einen Fleck in der Größe der Matrix fokussiert sein. Bei hoher Lichtstärke eines Bildes großer Bildschirmdiagonale ist also auch hier eine gute Fokussierbarkeit bei hoher Leistung äußerst wünschenswert.

Gleiches gilt auch für die Projektion von LCD Matrixen. Hier kann man die LCDs, auf denen man die zu projizierende Information einstellt, auch nicht beliebig groß machen, so daß hier für größere projizierte Bilder ebenfalls ein höheres Strahlprodukt erreichen müßte.

Herkömmliche Lichtquellen reichen dafür, wenn nur eine geringe Bildschirmdiagonale in der Größenordnung von Metern erwünscht ist, aus. Bei Großprojektion, wie im Kino, liefern aber übliche Lichtquellen nur ein ungenügendes Strahlprodukt, so daß es höchst wünschenswert ist, eine Einrichtung zur Verfügung zu haben, bei der das Strahlprodukt ohne großen Leistungsverlust verringert werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung mit verbessertem Strahlprodukt zu schaffen, bei der die Leistungsabnahme wesentlich geringer als bei der einleitend angegebenen Blendentechnik ist.

Die Aufgabe wird ausgehend vom eingangs genannten Stand der Technik dadurch gelöst, daß die Blendenöffnung von einer ersten Spiegelfläche umgeben oder in einer ersten Spiegelfläche ausgebildet ist und ein optisches System vorgesehen ist, zu dem die Spiegelfläche das nicht durch die Blendenöffnung fallende Licht des Stammlichtbündels oder des Stammlichtfächers reflektiert, und dieses optische System dieses Licht wieder in das einfallende Stammlichtbündel oder den Stammlichtfächer verändert einleitet. Dabei kann die Veränderung insbesondere in einer Einleitung mit einem anderen Winkel, verschoben und/oder vergrößert oder verkleinert bestehen.

Im folgenden wie auch im vorangehenden wird immer der Ausdruck Lichtbündel oder Lichtfächer verwendet. Unter einem Lichtfächer wird ein auf einen minimalen Durchmesser fokussiertes Lichtbündel oder von einem geringen Volumen in alle möglichen Richtungen ausgehendes Lichtbündel verstanden, während sich der Ausdruck Lichtbündel auf ein im wesentlichen paralleles Lichtbündel bezieht, also eines, das man beispielsweise hinter einer Linse gewinnen kann, wenn ein Lichtfächer von einem Emissionsvolumen im Brennpunkt dieser Linse ausgeht. Da die sonst in der Optik verwendeten Begriffe wie Lichtstrahlen, Brennpunkt u. s. w. zu idealisiert sind, weil sie von einem unrealistischen Strahlprodukt der Größe Null ausgehen, und diese idealisierte Bedeutung hier zu Mißverständnissen führen könnte, wird im folgenden von einem Lichtbündel oder Lichtfächer gesprochen. Wenn man ferner üblicherweise sagt, daß ein Lichtbündel in einen Brennpunkt fokussiert wird, wird darunter im folgenden, da es eine Abbildung in einen Punkt wegen des immer von Null verschiedenen Strahlproduktes gar nicht geben kann, verstanden, daß das Lichtbündel in einen Flächenbereich minimalen Durchmessers fokussiert wird usw. Die hier verwendeten zum normalen Sprachgebrauch unterschiedlichen Begriffe werden einzig deshalb verwendet, um den Sachverhalt besser zu verdeutlichen.

Das Strahlprodukt wird zwar erfindungsgemäß dadurch verringert, daß Winkel und Durchmesser für Ausgangslichtbündel oder Ausgangslichtfächer durch eine geeignete Blende bestimmt werden. Das unter ungeeignetem Winkel oder bei zu großer Ausdehnung auf die Blende treffende Licht wird aber im Gegensatz zum Stand der Technik nicht absorbiert, also vernichtet, sondern reflektiert und steht nochmals zur Verfügung, um wieder einen Teil mit geeignetem Strahlprodukt zu separieren, der dem Ausgangslichtbündel oder Ausgangslichtfächer hinzu gefügt wird. Dies wird durch das angegebene optische System geleistet, welches das restliche Lichtbündel oder den Lichtfächer wieder zur Blende führt, wo dann erneut ein geeigneter Lichtanteil separiert werden kann. Voraussetzung für eine hohe Leistung ist allerdings eine Veränderung des Lichtbündels, damit immer ein neuer, genügend großer Teil durch die Blende fallen kann. Das dann wieder von der Spiegelfläche zurückgeworfene Licht wird anschließend wieder zu der Blende geführt, u.s.w. Durch diesen sich wiederholenden Prozeß könnte nahezu die gesamte Lichtintensität durch die Blende geführt werden, abgesehen von Reflexionsverlusten und Anteilen in sehr großer Raumwinkeln, die eventuelle, selbst nach der durch das optische System bedingten Veränderung nicht das geeignete Strahlprodukt aufweisen, um durch die Blendenöffnung hindurchlaufen zu können.

Das der Erfindung zugrunde liegende Prinzip kann einfach verstanden werden, wenn man sich vorstellt, daß ein parallelisiertes Lichtbündel mit einer bestimmten Winkeldivergenz ja auch als nebeneinander liegende Teillichtbündel aufgefaßt werden kann, von dem jedes die gleiche Winkeldivergenz aufweist, dem jedoch jeweils ein kleineres Strahlprodukt zukommt. Durch richtungsgleiches Ineinanderführen dieser als Beispiel angedachten Teillichtbündel würde man eine höhere Intensität erhalten.

Man könnte beispielsweise entsprechende Teillichtbündel bestimmten Durchmessers auch aus einem Strahlenbündel größeren Durchmessers separieren und direkt über ein ähnliches optisches System, also ohne ein Restbündel zurückzuführen, zusammenführen. Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung ist dem gegenüber jedoch wesentlich einfacher.

Dieselbe Blende wird zum Ausfiltern desselben Strahlproduktes immer wieder verwendet. Man benötigt nur ein einziges optisches System zum Zusammenführen der Teillichtbündel verschiedener Teilstrahlen, wobei die erfindungsgemäße Veränderung beispielsweise ausschließlich eine räumliche Verschiebung der Teilstrahlen beinhalten müßte, um die Teilstrahlen zur Deckung zu bringen. Dies wird aus den nachfolgenden Ausführungsbeispielen deutlicher werden.

Zum Zusammenfügen verschiedener Teillichtbündel wird also nur ein einziges optisches System verwendet, während das direkte Zusammenführen verschiedener Teillichtbündel ein optisches System für jedes Teillichtbündel erforderlich machen würde. Ein einziges System gegenüber einer Kombination aus mehreren Systemen vereinfacht auch die Justierung zum richtungsgleichen Zusammenfassen der Teillichtbündel geringeren Durchmessers aber gleicher Divergenz wesentlich.

Die Justierung ist aber gegenüber dem anderen Ansatz, mehrere optische Systeme zum richtungsgleichen Zusammenführen mehrerer Teillichtbündel einzusetzen, auch unkritischer. Denn würde von der Blende, zum Beispiel aufgrund einer Fehljustierung, ein geringerer Anteil herausgefiltert als optimal möglich wäre, dann gäbe es beim nochmaligen Durchlaufen des Lichtbündels nach Reflexion immer noch eine Möglichkeit, diesen fehlenden Anteil aufgrund der erfindungsgemäßen Veränderung des eingekoppelten Lichtbündels oder Lichtfächer doch dem ausgehenden Lichtbündel oder Lichtfächer zuzufügen.

Natürlich kann bei der vorliegenden Erfindung auch nicht die gesamte Leistung des eingehenden Lichtbündels oder Lichtfächers in den Ausgang überführt werden. Der erzeugbare Anteil ist aber durchaus ausreichend, wie anhand eines Zahlenbeispiels verdeutlicht werden soll.

Der bestimmende Faktor für die Verluste ist dabei untere anderem der Reflexionsgrad des die Blende umgebenden Spiegels. Bei einem Reflexionsgrad von angenommen 95% werden die letzten reflektierten Teillichtbündel erst nach dreizehnmaligem Umlauf ungefähr 50% ihrer Energie verloren haben. Dieses Rechnung zeigt, daß man mit dieser Technik beim Beispiel des Zerlegen eines nahezu parallelen Lichtbündels in Teillichtbündel kleineren Durchmessers und deren Zusammenführung mindestens zehnmal Durchführen kann, was zur Beleuchtung der eingangs genannten Kippspiegelmatrix durchaus ausreichend sein sollte. Wie später anhand von Ausführungsbeispielen gezeigt wird, sind durch andere Veränderungen des reflektierten Lichtbündels oder Fächers noch weitere Freiheitsgrade zur Verbesserung gegeben.

Zur Verringerung von Verlusten läßt sich insbesondere aber auch die spiegelnde Fläche und das optische System geeignet wählen, wie bei den folgenden Weiterbildungen der Erfindung näher angegeben wird.

Zur Vereinigung der Lichtbündel oder Lichtfächer könnte man verschiedenste Systeme einsetzen, beispielsweise eine Optik mit sehr großer Eintrittspupille und merklich verkleinerter Austrittspupille. Weiter können Spiegelsysteme eingesetzt werden, bei denen das einfallende Lichtbündel über einem sogenannten optischen Isolator eingekoppelt wird, so daß das durch das Spiegelsystem eventuell von der Umgebung der Blende rückgeworfene Licht bei Spiegelung zurück in den Eingangsbereich, also wieder zurück zu denjenigen Spiegeln, die Stammlicht und das von der Blendenumgebung zurück reflektierte Licht vereinigen, geworfen wird. Ferner sind Strahlteiler bekannt, die hier in umgekehrter Lichtrichtung zum Vereinigen eingesetzt werden können. Bei Polarisationsstrahlteilern sind dann jedoch auch Einrichtungen zum Ändern der Polarisation, wie λ/4 Platten, erforderlich, die den zu vereinigenden Lichtbündeln oder Lichtfächern jeweils die geeignete Polarisation aufprägen. Bei kohärenten Lichtstrahlen lassen sich zum Zusammenfügen des zurück reflektierten Teillichtbündels mit dem Stammlichtbündel ferner auch Hologramme und binäre Optiken einsetzen.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß das optische System eine dielektrische zweite Spiegelfläche einer Dicke aufweist, durch die das Stammlichtbündel oder der Stammlichtfächer transmittiert, und ferner die dielektrische zweite Spiegelfläche einen Winkel zum von der ersten Spiegelfläche reflektierten und zu der dielektrischen zweiten Spiegelfläche zurückgeführten Lichtbündel aufweist und bei diesem Winkel richtungsgleich zu dem von der dielektrischen zweiten Spiegelfläche durchgelassenen Stammlichtbündel reflektiert wird.

Bei einer ähnlichen Weiterbildung der Erfindung ist ein dielektrisches oder metall/dielektrisches Schichtsystem vorgesehen, über welches das Stammlichtbündel oder der Stammlichtfächer in die Vorrichtung eingeleitet wird, wobei das Schichtsystem Lichtstrahlen in Richtung auf die Vorrichtung transmittiert und Lichtstrahlen von innerhalb der Vorrichtung reflektiert. Wie derartige Schichtsysteme aufgebaut werden, wird später in Verbindung mit Ausführungsbeispielen näher beschrieben.

Wenn hier von dielektrischen Spiegelflächen gesprochen wird, ist hier aber nicht nur allgemein eine dielektrische Schicht gemeint, der Begriff umfaßt hier auch Schichtsysteme, die neben dielektrischen Schichten auch dünne Metallschichten mit einer Transmission kleiner als 1 enthalten können. Wichtig ist bei derartigen Schichtsystemen vor allem, daß sie das aus einer Richtung kommende Licht durchlassen, während Licht aus einer anderen Richtung reflektiert wird. Derartige Schichtsysteme werden im Folgenden auch Isolatoren oder optische Isolatoren genannt.

Die Vereinigung des Stammlichtbündels mit dem von der Spiegelfläche kommenden Licht zum Bilden desjenigen Lichtbündels, das wieder in Richtung Blende geworfen wird, erfolgt dabei mit einem dielektrischen Spiegel, der so bezüglich seiner Dicke ausgelegt und unter einem Winkel angeordnet wird, daß sowohl das von der Blendenumgebung reflektierte Licht als auch das einfallende Licht wieder in Richtung auf die Blende gelenkt wird. Dies ist möglich, weil bei einem dielektrischen Spiegel Interferenzeffekte wirksam sind, die winkelabhängige Phasenbedingungen verwenden. Bei geeigneter Richtung der beiden auf den Spiegel fallenden Lichtbündel liegen deswegen unterschiedliche Phasenbedingungen vor. Dadurch kann das eine von der Blendenumgebung stammende Lichtbündel bei geeigneter Wahl der Schichtdicke und des Winkels reflektiert, das Stammlichtbündel hingegen transmittiert werden.

Ein derartiger Spiegel wirkt vor allem polarisationsunabhängig, so daß praktisch Licht jeder beliebigen Lichtquelle ohne Verluste zusammengeführt werden kann. Die Wellenlängenabhängigkeit eines derartigen Spiegels läßt sich üblicherweise mit einer geeigneten Folge dielektrischer Schichten unterschiedlicher Dicke kompensieren. Wie die Berechnung eines derartigen Schichtsystems durchzuführen ist, ist aus der Vergütung von Linsen und Spiegeln allgemein bekannt.

Bei einer anderen bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist ein Hohlspiegel oder eine Linse zum Fokussieren des Lichtbündels auf die Blendenöffnung vorgesehen.

Wegen der vorgenommenen Fokussierung kann bei geeigneter Anordnung von Hohlspiegel oder Linse immer ein vorgegebener Divergenzwinkel über den Abstand Blende/Linse bzw. Blende/Hohlspiegel eingestellt werden. Die Blendenöffnung wirkt dabei im wesentlichen auch als Kollimator, der den Strahldurchmesser begrenzt. Somit ist das erreichbare Strahlprodukt des Ausgangslichtbündels als Produkt aus vorgegebenem Divergenzwinkel mit dem Blendendurchmesser eindeutig festgelegt.

Insbesondere sind Hohlspiegel für eine gute Fokussierung besonders geeignet. Wie nachfolgend aus Ausführungsbeispielen deutlicher wird, haben aber auch Linsen oder Linsensysteme bezüglich einer vereinfachten Anordnung Vorteile gegenüber anderen, die ausschließlich Hohlspiegel einsetzen.

Bei einer anderen vorzugsweisen Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Stammlichtbündel oder der Stammlichtfächer auf einer optischen Achse in einer durch das Strahlprodukt gegebenen Fokalfläche minimaler Ausdehnung fokussiert ist und die erste Spiegelfläche als Hohlspiegel ausgebildet ist, aufgrund dessen eine Fokalfläche des durch das optische System rückgeworfenen Lichts auf der optischen Achse gegenüber der Fokalfläche des fokussierten Stammlichtbündels oder des Stammlichtfächers verschoben ist.

Bei dieser vorzugsweisen Weiterbildung der Erfindung macht man sich zunutze, daß ein fokussiertes Lichtbündel zwar keinen definierten Brennpunkt hat, seine Kaustik jedoch als von verschiedenen auf der optischen Achse hintereinander liegenden verschobene Lichtfächer, darstellbar sind. Bei einer Abbildung eines dieser Brennpunkte in die Blendenöffnung wird dann beim ersten Durchlauf ein sehr gutes Strahlprodukt des von der Blendenöffnung ausgehendes Lichtbündels erreicht. Nach Reflexion des Lichtbündels von der Blendenöffnung, das dann nur Lichtanteile der anderen Brennpunkte enthält, gerät ein anderer Brennpunkt in den Bereich, der in die Blendenöffnung abgebildet wird etc. Somit wird immer ein Lichtbündel oder Lichtfächer mit gut definiertem Strahlprodukt bei jede Umlauf des Lichtes aus einem anderen Brennpunkt des aus mehreren Brennpunkten bestehenden Fokalvolumens durch die Blendenöffnung durchgelassen, was einen sehr gut definierten Strahl geringen Strahlproduktes ermöglicht, wobei die Leistungsverluste gering sind, denn praktisch werden durch die verschiedenen Umläufe des ausgeblendeten Lichts alle Brennpunkte übereinander gelegt und in die Blendenöffnung abgebildet.

Einen besonders hohen Leistungsanteil, der durch die Blende durchgelassen wird, erreicht man, wenn die Verschiebung ungefähr der Ausdehnung der oben näher definierten Fokalfläche entspricht. Dann wird aus der Kaustik immer ein nahezu kugelförmiger Licht emittierender Anteil in die Blende abgebildet, wobei auch eine definierte Winkeldivergenz des von der Blende ausgehenden Lichtfächers einstellbar wird.

Insbesondere ist deswegen bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß das einfallende Lichtbündel oder der Lichtfächer auf der optischen Achse auf eine Fokalfläche minimaler Ausdehnung fokussiert ist, die zwischen den beiden Brennpunkten liegt und der Abstand der beiden Brennpunkte geringer als diese minimale Abmessung der Fokalfläche ist. Damit erhält man insbesondere die vorgenannte günstige Überführung des Stammlichts in die von der Blendenöffnung ausgehenden Teilkugeln.

Ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel das bezüglich Leistung und erreichbarem Strahlprodukt optimiert ist, ist durch folgende Weiterbildungen der Erfindung gekennzeichnet, die später noch eingehender erläutert werden:

Eine dieser bevorzugten Weiterbildungen der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Linse vor dem mit der Blendenöffnung versehenen Hohlspiegel vorgesehen ist und das aus der Linse und dem Hohlspiegel zusammengesetzte System die Blendenöffnung hinter die Spiegelfläche des anderen Hohlspiegels abbildet. Der Durchmesser der Linse und der Abstand der Linse zu der Blendenöffnung definieren dabei im wesentlichen den Divergenzwinkel. Die Blendenöffnung selbst legt den Durchmesser fest. Das zu erreichende Strahlprodukt kann damit eindeutig festgelegt werden. Durch die Abbildung der Blendenöffnung hinter den anderen Hohlspiegel wird eine Veränderung des rückgeworfenen Lichtbündels gegenüber dem Stammlichtbündel in einfacher Weise erreicht. Insbesondere läßt sich damit auch die obengenannte und als günstig erkannte Verschiebung der Brennpunkte einfach verwirklichen.

Bei einer anderen dieser bevorzugten Weiterbildungen der Erfindung ist vorgesehen, daß der andere Hohlspiegel das durch den Hohlspiegel und die Linse erzeugte Bild auf der optischen Achse liegend sowie beabstandet zu dessen Brennpunkt abbildet. Diese vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung bewirkt in einfacher Weise die vorhergehend beschriebene Abbildung der einzelnen Brennpunkte aus der Kaustik eines fokussierten Lichtfächers, die zu besonders geringen Leistungsverlusten bei optimiertem Strahlprodukt führt, ohne daß eine wesentliche Vergrößerung oder Verkleinerung des von der Spiegelfläche zurückgeführten Teillichtbündels erfolgen muß.

Der Hohlspiegel könnte dabei konkav oder konvex gekrümmt sein. Wie aber aus einem späteren Ausführungsbeispiel hervorgeht, kann eine besonders einfache Verschiebung bei üblichen Beleuchtungen erzeugt werden, wenn der mit der Blendenöffnung versehene Hohlspiegel konvex ist. Man hätte erwartet, daß eine konkave Krümmung besonders gut geeignet ist, da aufgrund dessen fokussierenden Eigenschaften das Rückführen des Lichts besonders optimal würde. Es zeigt sich aber, daß eine zerstreuender Linse besonders geeignet ist, um die Verschiebung der einzelnen Brennpunkte in der Kaustik besonders effektiv durchführen zu können. Wobei aber die konkave Krümmung zusammen mit der oben genannten fokussierenden Linse dieselben Abbildungseigenschaften wie ein konkaver Hohlspiegel haben kann und diese Kombination auch durch einen konkaven Hohlspiegel ersetzt werden kann.

Statt das Stammlichtbündel von außerhalb der Vorrichtung einzuleiten, kann man auch ein Wendel, eine Leuchtdiode oder einen Lichtbogen zur Erzeugung des Stammlichtbündels in der Vorrichtung selbst anordnen. Man erhält dann eine Lichtquelle mit einem in einem Leuchtvolumen erzeugten und von diesem ausgehenden Lichtbündel, aber mit einem wesentlich kleineren Strahlprodukt, als von einer derartigen ausgedehnten Lichtquelle zu erwarten wäre. Insbesondere benötigt man dann auch keine eigene Einrichtung zum Zusammenführen von Lichtbündeln, da die von der Blendenumgebung zurück reflektierten Lichtbündel nur einfach zurück in das Leuchtvolumen zurückgeworfen werden müssen und dann als von diesem in gleicher Weise ausgehend wie das Stammlichtbündel weiteren Reflexionen unterworfen werden.

Ein besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist diesbezüglich dadurch gekennzeichnet, daß eine Lichtquelle durch ein sich längs der optischen Achse erstreckendes, insbesondere durch ein Wendel, eine Leuchtdiode oder einen Lichtbogen, gebildetes Leuchtvolumen ausgebildet ist, wobei das Leuchtvolumen oder ein Spiegelbild von diesem im Fokus innerhalb von einem räumlichen Bereich liegt, in dem auch einer der beiden Brennpunkte der Hohlspiegel liegt. Die damit erfolgende Optimierung wird insbesondere durch die Anordnung des Leuchtvolumens bestimmt. Das längliche, in Richtung der optischen Achse sich erstreckende Leuchtvolumen kann dabei zum Verständnis der Wirkung analog zu den oben angegebenen hintereinander liegenden Brennpunkte der Kaustik eines Lichtfächers betrachtet werden, wobei allerdings hier das längliche Leuchtvolumen als hintereinander liegende kleine Kugeln zu betrachten ist, in die das rückgeworfene Licht wieder, allerdings auf der optischen Achse verschoben, zurückgeführt wird, so daß bei jedem Rücklauf und Vorlauf nach der Reflexion an der die Blendenöffnung umgebenden Spiegelfläche ein anderer Teil des Leuchtvolumens seinen Beitrag zum aus der Blendenöffnung ausfallenden Lichtbündel abgibt.

Das rücklaufende Licht wird bei einem Wendel allerdings teilweise auch absorbiert, was aber nicht unbedingt nachteilig ist, denn das Wendel wird dadurch auch aufgeheizt, so daß die Lichtverluste bei Verringerung des Strahlproduktes teilweise vermieden werden könne, weil deshalb die zur Aufheizung des Wendels zugeführte elektrische Energie verringert werden kann.

Bei einem Lichtbogen kann allerdings das leuchtende Plasma, wegen seines von 1 verschiedenen Brechungsindexes, selbst auch als Linse für das zurück reflektierte Licht wirken. Diese mögliche Linsenwirkung läßt sich aber, beispielsweise durch Formung von Kathode und Anode, sowie eventuelles Anlegen geeigneter Magnetfelder, bezüglich seiner Linsenwirkung optimieren.

Weiter ist es für sehr geringe Strahlprodukte im Ausgang günstig, gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung eine Kaskade von Vorrichtungen vorzusehen, bei der die erste und die folgende Vorrichtung beispielsweise jeweils um einen Faktor 1/3 verbessern. Bei drei hintereinander angeordneten Vorrichtungen ergäbe sich dann eine Verbesserung des Strahlproduktes auf 1/27, wobei man weniger Reflexionsverluste hinnehmen muß als bei einer einzigen Vorrichtung, die das Strahlprodukt direkt auf 1/27 reduziert. Weiter wird die Verlustleistung bei einer Kaskade auf mehr Spiegel verteilt, als wenn man das Strahlprodukt durch eine einzige Vorrichtung optimieren wollte, wodurch auch die Standzeiten der eingesetzten optischen Elemente, insbesondere der Spiegel, in vorteilhafter Weise erhöht werden.

Das Zahlenbeispiel von 1/3 ist hier nur beispielhaft genannt, jedoch liegt es nahe an einem Optimum, wie später anhand von Abschätzungen noch deutlicher wird.

Wie die vorstehenden Erörterungen zeigten, hängt das erreichbare Strahlprodukt wesentlich von der Größe der Blendenöffnung ab und die Fertigung der Blendenöffnung mit geeigneten Toleranzen kann Schwierigkeiten bereiten. Dies ist aber nur bei solchen Einrichtungen ungünstig, bei denen das Lichtbündel als Lichtfächer auf diese Blendenöffnung fokussiert wird. Bei parallelen Lichtbündeln läßt sich dagegen auch mit einer sehr großen Blendenöffnung eine Verringerung des Strahlproduktes erreichen. Das geeignete Strahlprodukt kann zur Anpassung der geometrischen Bedingungen an die geeignet ausgebildeten Blendenöffnungen beispielsweise durch ein afokales System vor der Blendenöffnung unter Verringerung seiner Divergenz beliebig aufgeweitet und hinter der Blende durch ein weiteres afokales Linsensystem in seinem Durchmesser wieder verringert werden.

Diesbezüglich ist eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß zwischen mindestens zweien der kaskadierten Vorrichtungen ein optisches System zur Anpassung der Lichtbündel an die Einfalls- und Ausfallsbedingungen dieser Vorrichtungen vorgesehen ist.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Kaskade ist aus den genannten Anpassungsgründen zum Erreichen eines besonders günstigen Strahlproduktes auch vorgesehen, daß die erste Vorrichtung in der Kaskade fokussierend und die letzte parallelisierend ausgebildet ist.

Insbesondere haben sich die folgenden Weiterbildungen der Kaskaden bezüglich Kompaktheit und Ausgangsleistung als besonders vorteilhaft erwiesen, wie insbesondere in den Ausführungsbeispielen bei einer Quelle mit Lasern vergleichbarem Strahlprodukt deutlich gezeigt ist.

Eine dieser Weiterbildungen einer erfindungsgemäßen Kaskade ist dadurch gekennzeichnet, daß ein gemeinsamer Spiegel mit Blendenöffnung für alle Vorrichtungen der Kaskade vorgesehen ist und die einzelnen Vorrichtungen weiter jeweils ein dielektrisches oder metall/dielektrische Schichtsystem aufweisen, durch welches das jeweilige Stammlichtbündel oder der Stammlichtfächer in die jeweilige Vorrichtung einfällt und nach Mehrfachreflexion zu dem Schichtsystem der nachfolgenden Vorrichtung oder der Blende geführt ist.

Insbesondere erhält man die größtmögliche Ausgangsleistung bei einer Kaskade, bei der jede Stufe der Kaskade für eine Strahlproduktverbesserung mit einem Faktor zwischen 1/2 und 1/10, insbesondere aber 1/2 und 1/4, ausgebildet ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung noch näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des der Erfindung zugrunde liegenden Prinzips mit einer Fokussierung auf eine Blendenöffnung;

Fig. 2 ein einfaches Ausführungsbeispiel ohne Fokussierung;

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel ähnlich wie in Fig. 2, bei dem zur Verringerung des Divergenzwinkels des zurück reflektierten Lichtbündels ein afokales Linsensystem eingesetzt wird;

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel mit zwei Hohlspiegeln;

Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel mit Hohlspiegeln sowie einer Fokussierung zur Festlegung des Strahlproduktes für das ausgehende Lichtbündel mittels Blendendurchmesser;

Fig. 6 eine schematische Darstellung einer Kaustik als Summe einer Vielzahl von Brennpunkten zur Verdeutlichung der Wirkung einer Brennpunktverschiebung bei der Strahlproduktverbesserung;

Fig. 7 ein Ausführungsbeispiel für eine Lichtquelle mit einer erfindungsgemäßen Strahlproduktverbesserung;

Fig. 8 ein Beispiel für eine Elektrodenkonfiguration bei Lichtbogenlampen, wie sie in der Lichtquelle von Fig. 7 eingesetzt werden kann, wobei eine der Elektroden gleichzeitig Spiegelflächen zur Strahlproduktverbesserung aufweist;

Fig. 9 ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Lichtquelle mit geringerer Strahlproduktverbesserung aber optimierter Lichtleistung und einem Beleuchtungsfeld mit gleichmäßiger Beleuchtungsdichte;

Fig. 10 bis Fig. 12 schematische Darstellungen beispielhaft gezeigter prinzipieller metall/dielektrischer Schichtenfolgen zur Erläuterung der Wirkungsweise von Schichtenfolgen, die als in einer Richtung transmittierende und in entgegengesetzter Richtung reflektierende Isolatoren in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen eingesetzt sind;

Fig. 13 eine Vorrichtung zur Verringerung des Strahlproduktes mit Hilfe von Isolatoren, wie sie anhand von Fig. 10 bis 12 gezeigt sind;

Fig. 14 eine Ansicht eines Isolators gemäß Fig. 13, gesehen von der optischen Achse aus, mit Richtungsvektoren für die Ausbreitung von Lichtstrahlen zur Erläuterung des Vorteils einer getrennt in zwei Raumdimensionen erfolgenden Änderung des Strahlproduktes gegenüber einer radialen Ausführung;

Fig. 15 eine integrierte Kaskade mit drei Stufen als Weiterbildung des in Fig. 13 gezeigten Aufbaus;

Fig. 16 bis 18 integrierte Kaskaden, bei denen der Durchmesser eines Lichtbündels zur Verringerung des Strahlproduktes mit Hilfe von den in Fig. 10 bis 12 im Prinzip gezeigten metall/dielektrischen Schichten geändert wird;

Fig. 19 einen prinzipieller Aufbau einer einfachen Elektronenkanone für hohe Lichtausbeute, wie sie in den nachfolgenden Beispielen einsetzbar ist;

Fig. 20 eine Vorrichtung zur Verringerung des Strahlproduktes der Elektronenkanone von Fig. 19 oder von integrierten LED Arrays, mit geringen Lichtverlusten aber deutlich verringertem Strahlprodukt beispielsweise zur Beleuchtung von DMD Matrixen;

Fig. 21 eine Quelle mit verschiedenen Kaskaden von Vorrichtungen zur Verringerung des Strahlproduktes unter Verwendung einer Primärquelle nach Fig. 19 zur Veranschaulichung, wie bei ausgedehnter Primärlichtquelle ein Ausgangslichtbündel mit Laserqualität bei nur geringen Lichtverlusten gewonnen werden kann.

Die in den folgenden Ausführungsbeispielen gezeigten Optiken und Vorrichtungen sind, wenn nicht anders angegeben, alle rotationssymmetrisch um eine optische Achse 1 ausgeführt. Das heißt auch, daß sie für im wesentlichen kreisförmige Lichtstrahlen ausgebildet sind. Bei der Beleuchtung von Kippspiegelmatrixen wird man aber wegen der rechteckigen Geometrie zur gleichmäßigen Beleuchtung der Kippspiegel im wesentlichen rechteckige Strahlprofile verlangen, die ohne Schwierigkeiten mit den dargestellten Prinzipien realisiert werden können. Eine wesentliche Änderung besteht dann darin, daß eine bei der Erfindung eingesetzte Blende 2 als rechteckiger Ausschnitt ausgebildet ist. Weitere Verbesserungen sind aber auch dadurch erreichbar, daß die Spiegel nicht mehr rotationssysmmetrisch um die optische Achse ausgebildet werden, sondern eine dem rechteckigen Strahlprofil des Ausgangsbündels angepaßte, optimierte Form aufweisen.

Das Optimierungskriterium für die Auslegung ist eine Maximierung der Ausgangsleistung bei Einstellung eines über die Blende wesentlich bestimmten erwünschten Strahlprofiles und Strahlproduktes, so daß ein größtmöglicher Teil der Lichtleistung des Stammlichtbündels oder Fächers entnommen und verwertet werden kann.

In Fig. 1 wird das hier eingesetzte Prinzip anhand eines fokussierenden Systems näher erläutert.

Ein Stammlichtbündel 3 mit nur geringer Divergenz wird dabei mit Hilfe eines fokussierenden Systems, im einfachsten Fall einer Linse 4, auf die Blende 2 fokussiert. Die Blende 2 schneidet aus dem Lichtbündel 3' oder besser dessen Lichtfleck einen geeigneten Teil bezüglich der lateralen Verteilung und der Winkelverteilung heraus, der dann mit einer weiteren Linse 8 wieder parallelisiert werden kann, um anschließend ein Ausgangslichtbündel 3" zu erzeugen, dessen Strahlprodukt dann bis auf Beugungseffekte im wesentlichen von der Größe der Öffnung der Blende 2 und dem durch die Linse 8 erfaßten Winkelbereich abhängig ist.

Dies ist bekannt. Man verliert bei der herkömmlichen Technik allerdings stark an Intensität, denn je kleiner die Öffnung der Blende 2 ist, desto weniger Licht wird von ihr durchgelassen.

Demgegenüber werden beim Ausführungsbeispiel die durch die Blende 2 verursachten Lichtverluste verringert. Die Blendenöffnung befindet sich nämlich in einer Spiegelfläche 6, die dafür sorgt, daß die von der Blende nicht durchgelassenen Lichtanteile wieder in die Blende gelangen. Dies ist in Fig. 1 beispielhaft an einem Lichtstrahl 5 gezeigt, der nach Rückreflexion am Punkt 11 und folgenden Reflexionen zurück in die Blende fällt, so daß die Lichtintensität im Prinzip nicht abnähme, wenn es möglich wäre, alle Lichtstrahlen nach beliebig vielen Mehrfachreflexionen wieder zur Blende 2 zu führen. Das dabei endgültig erreichte Strahlprodukt hängt dann im wesentlichen nur von der Blendengröße und dem von der Linse 8 erfaßten Winkel ab.

Die Form der Spiegelfläche 6 wäre dann im wesentlichen gleichgültig. Da aber eine 100%-ige Reflexion nicht möglich ist, sollte die Formgebung der Spiegelfläche optimiert werden, um möglichst viele Lichtstrahlen nach möglichst wenigen Reflexionen an die Blende 2 zu führen. Mehrere Optimierungsmethoden werden im Folgenden anhand einiger Beispiele gezeigt.

Weiter entstehen beim Ausführungsbeispiel von Fig. 1 auch Verluste, da Lichtanteile auch wieder in entgegengesetzter Richtung zum Stammlichtbündel herausfallen können und zum Ausgangslichtbündel nicht mehr beitragen. Hier ist es empfehlenswert, einen optischen Isolator vorzusehen, der das in entgegengesetzte Richtung des Stammlichtbündels ausfallende Licht wieder zurückreflektiert. Derartige optische Isolatoren sind bekannt und wirken meist aufgrund unterschiedlichen Polarisationen der Lichtbündel. Dagegen wird hier vorteilhafterweise ein anderes System, das aufgrund unterschiedlicher Phasenbedingungen bei Lichtbündeln, die sich in entgegengesetzten Richtungen ausbreiten, verwendet, wie ausführlicher anhand der Fig. 10 bis 12 erläutert werden wird.

Die in Fig. 2 gezeigte, als Isolator dienende Einrichtung 15 enthält im wesentlichen ein derartiges dielektrisches Schichtsystem 16, bei dem sich alle in Richtung eines Lichtbündels 18 einfallenden Transmissionsanteile weginterferieren. Durch das dielektrische Schichtsystem wird also nur eine Reflexion eines Lichtbündels 18 möglich wird. Dagegen ist der Winkel zu dem einfallenden Lichtbündel 3 so gewählt, daß sich die von der Schicht 16 reflektierten Lichtbündel weginterferieren, weshalb das Stammlichtbündel 3 vollständig transmittiert wird. Die Wirkungsweise derartiger dielektrischer Schichten bzw. metallldielektrischer Schichtsysteme wird nachfolgend noch beispielsweise anhand der Fig. 10 bis 12 beschrieben.

Das Stammlichtbündel 3 wird im Beispiel von Fig. 2 auch nicht fokussiert sondern gelangt nahezu parallel auf die Blende 2, die ein Teillichtbündel 3" herausschneidet, das dann im wesentlichen die gleiche Winkeldivergenz wie das Stammlichtbündel 3 aufweist, dessen Strahlprodukt aber wegen des kleineren Durchmessers verringert ist.

Die von der Blende nicht durchgelassenen Lichtanteile werden über Spiegel 6, 20 und das dielektrische Schichtsystem 16 wieder auf die Blende 2 zurückgeworfen. Allerdings wird das rückgeworfene Lichtbündel 18 dabei gegenüber dem ersten Durchlauf versetzt zum vorherigen Verlauf hinzugefügt, so daß es beim zweiten Durchlauf fast vollständig durch die Blende 2 geführt wird.

Im Beispiel von Fig. 2 wurde das Stammlichtbündel 3 im Unterschied zum Beispiel von Fig. 1 nicht fokussiert, was auch zeigt, daß es auf die Fokussierung prinzipiell nicht ankommt. Jedoch sind beide Möglichkeiten, ein fokussiertes Lichtbündel oder ein im wesentlichen paralleles Lichtbündel auf eine Blende 2 zu richten, für unterschiedliche Einsatzbereiche von besonderem Vorteil. Da die Blende 2 das Strahlprodukt im Ausführungsbeispiel von Fig. 1 wesentlich bestimmt, hängt das erreichbare Strahlprodukt nahezu allein davon ab, wie klein die Öffnung der Blende 2 mit genügender Genauigkeit gefertigt werden kann, bzw. ab welcher Größe der Blende Beugungserscheinungen an der Blendenöffnungen das Strahlprodukt wieder vergrößern. Diese Beschränkung ist beim Ausführungsbeispiel von Fig. 2 nicht gegeben. Da das Stammlichtbündel 3 mit einem afokalen Linsensystem nahezu beliebig groß gemacht werden kann, wobei dessen Winkeldivergenz dann auch verringert wird, hängt das erreichbare Strahlprodukt des Ausgangslichtbündels 3" nicht wesentlich von der Blendengröße 2 ab, sondern davon, wieviel Rückläufe man tolerieren kann, bis nahezu die vollständige Lichtintensität des Stammlichtbündels 3 durch die Blende 2 geführt ist. Deshalb ist ein Ausführungsbeispiel, bei dem das die Blende 2 erreichende Stammlichtbündel im wesentlichen parallel ist, wie in Fig. 2 gezeigt, bei sehr geringen Strahlprodukten für das Ausgangslichtbündel bei im wesentlichen parallelem Stammlichtbündel einer auf die Blende 2 fokussierenden Vorrichtung vorzuziehen. Dagegen ist das Strahlprodukt bei einem Ausführungsbeispiel, bei dem auf die Blende 2 fokussiert wird, wie schematisch in Fig. 1 gezeigt ist, wesentlich ünabhängiger von den Eingangsbedingungen.

Das bedeutet, bei Kaskadierung mehrerer Vorrichtungen zur Verringerung des Strahlproduktes ist es vorzuziehen, in den Eingangsstufen fokussierende Vorrichtungen einzusetzen, während die letzten Stufen günstiger ohne Fokussierung auf die Blende 2 ausgelegt werden sollten. Dazu kann man den Eingangsstrahl bei einer Vorrichtung gemäß einer wesentlichen Verbesserung mit einem afokalen Linsensystem aufweiten, also bei einer Kaskade zwischen derartigen Vorrichtungen jeweils afokale Linsensysteme zur Vergrößerung der von einer Vorrichtung zur nächsten Vorrichtung übertragenen Lichtbündel vorsehen, mit denen dann gleichzeitig auch die Winkeldivergenz der in die nachfolgenden Vorrichtungen einfallenden Lichtbündel verringert wird.

Die erreichbare Intensität des Ausgangsstrahls im Ausführungsbeispiel von Fig. 2 hängt im wesentlichen von der Anzahl der möglichen Reflexionen bei den Umläufen der ausgeblendeten Lichtanteils 18 über die Spiegel 6, 20 und das dielektrische Schichtsystem 16 ab. Sehr große Winkel im Stammlichtbündel 3 führen allerdings ebenfalls zu einem Intensitätsverlust, was vor allem darauf zurückzuführen ist, daß die Spiegel 20, 6 keine Verbesserung in der Divergenz des von der Spiegelfläche zurück geführten Lichtbündels erlauben. Hier könnte man durch entsprechende Krümmungen der Spiegel 20 und 6 Abhilfe schaffen.

Dies wird im folgenden an einem zwischen den Spiegeln befindlichen afokalen Linsensystem verdeutlicht, dessen Wirkung auch durch Spiegelkrümmungen der Spiegel 20 und 6 erzielt werden kann, wie leicht eingesehen wird, wenn man sich verdeutlicht, daß man die Wirkung von Linsen üblicherweise auch mit Hohlspiegeln, also gekrümmten Spiegeln, erreichen kann.

In Fig. 3 ist dies schematisch dargestellt. Im Rückweg für das reflektierte Lichtbündel sind zwei Linsen 30, 32 angedeutet, die in der Mitte durchbrochen sind, um das Lichtbündel 3' hinter der Einrichtung 15 ungehindert durchzulassen. Dieses afokale Linsensystem weitet das vom Spiegel 22 rückgeworfene Licht. jedoch, vorzugsweise auf die Größe des Stammlichtbündels 3, auf. Damit wird zwar der Durchmesser wieder vergrößert, die Winkeldivergenz des rückgeworfenen Lichtbündels jedoch verringert, so daß das von der Blende 2 rückgeworfene Licht unendlichmal den Spiegelweg 6, 22, 24, 16 umlaufen muß, bis es vollständig durch die Blende 2 durchgelassen wird. Weil die Winkeldivergenz bei jedem Umlauf des Lichts aber verringert wird, wird mehr Licht durchgelassen als ohne das afokale Linsensystem oder dessen Nachbildung durch entsprechende Ausbildung der Spiegel 22, 6 oder 24 als Hohlspiegel.

Ein Beispiel für eine Ausführung der Spiegel 6 und 24 als Hohlspiegel ist insbesondere in Fig. 4 gezeigt. Beide Hohlspiegel 6 und 24 haben verschiedene Brennweiten und deren Brennpunkte liegen in diesem Ausführungsbeispiel im gleichen Punkt 35. Die Geometrie in Fig. 6 ist so gewählt, daß ein Lichtbündel bei der Reflexion zwischen den Spiegeln 6 und 22 vergrößert wird, wodurch die sich aus der Erhaltung des Strahlproduktes ergebende Winkeldivergenz bei jeder Reflexion verringert wird.

Im Ausführungsbeispiel von Fig. 4 ist nur ein Brennweitenverhältnis von 2 : 1 gezeigt. Dieser Wert liegt extrem hoch, bei einer praktischen Realisierung wird man dagegen Brennweitenverhältnisse in der Größenordnung 1 wählen, das Verhältnis von 2 erlaubt aber eine bessere zeichnerische Darstellung, um die Teilstrahlen und die Wirkung der in Fig. 4 gezeigten Anordnung besser erkennbar zu machen.

Das Stammlichtbündel wird zu einem Eingangslichtfächer 3' auf den gemeinsamen Brennpunkt 35 fokussiert. Diese Art der Einkopplung wurde gewählt, um nur eine kleine Öffnung 36 verwenden zu müssen, wenn man eine isolierende Struktur wie den dielektrischen Spiegel 16 vermeiden will. Die Art der Einkopplung ist dabei aber relativ gleichgültig, da der Spiegel 24 wieder ein im wesentliches paralleles Lichtbündel formiert, das teilweise als Ausgangslichtbündel 3" aus der Blende 2 entnommen wird. Der Lichtanteil, der nicht durch die Blende 2 geht, wird durch den Brennpunkt 35 zurück geführt und gelangt nach weiteren Reflexionen wieder vergrößert an die Blendenöffnung 2, wo wegen der Vergrößerung wieder ein geeigneter Anteil zur Verfügung steht, der durch die Blendenöffnung 2 durchgelassen wird u.s.w.

Die Lage der Öffnungen 36 und 2 wird so gewählt, daß der entnommene Teil ungefähr dem Anteil entspricht, der nach Reflexion über die Spiegel 6 und 24 wieder in die Eingangsöffnung 35 zurückgeworfen würde, wenn kein optischer Isolator vorgesehen wird. Dadurch können Lichtverluste bei der Verbesserung des Strahlproduktes aufgrund Rücklaufs von Lichtanteilen durch die Eingangsöffnung 36 minimal gehalten werden.

Zur Verringerung von Verlusten wird man eine Fokussierung auf Öffnungen vorziehen, damit die Einkoppel- und Auskoppelöffnungen zur Verbesserung des Strahlproduktes klein gehalten werden können. Weiter können nicht nur, wie in Fig. 4 gezeigt, Vergrößerungen des Lichtbündels zur Veränderung des von der Spiegelfläche rückgeworfenen Lichts angewandt werden, sondern auch Verkleinerungen. Dies ist beispielhaft aus Fig. 5 entnehmbar, dessen Einkoppelteil den Beispielen von Fig. 2 und 3 entspricht.

Der parallele Strahl 3' wird hier über eine Linse 40 auf die Blendenöffnung 2 geworfen und der ausgeblendete Anteil gelangt von dort wieder auf eine als Hohlspiegel gekrümmte Fläche 22, von der das ausgeblendete Lichtbündel wieder zurückgeworfen und mit dem Stammlichtbündel 3 vereinigt wird, so daß es wieder als nahezu paralleles Lichtbündel 3' auf die Linse 40 und die Blende 6 gerichtet wird. Hier kann man über die Spiegel 22 und 6 auch eine Verkleinerung des zurückgeworfenen Lichtbündels vorsehen, so daß das ausgeblendete und rückgeworfene Teillichtbündel bei jedem Umlauf immer näher an die optische Achse gelangt, und bei entsprechenden Eingangsbedingungen des Strahls 3 effektiver durch die Blendenöffnung 2 geführt wird.

Ein anderes in den nachfolgenden Beispielen eingesetztes Prinzip wird vorerst an der bekannten Darstellung einer Kaustik gemäß Fig. 6 erläutert. Ein fokussiertes Lichtbündel läßt sich nämlich als Fokussierung unterschiedlicher Lichtstrahlen in verschiedene auf der optischen Achse liegenden Brennpunkten, beispielsweise 35, 35' und 35", auffassen. Bei einer Vielfachreflexion, wie sie vorher beschrieben wurde, sollte es deshalb möglich sein, diese verschiedenen Brennpunkte nacheinander in die Blendenöffnung 2 abzubilden, wodurch das Strahlprodukt durch Summieren der verschiedenen aus den Brennpunkten kommenden Lichtanteilen ohne wesentliche Verluste in der Lichtintensität verbessert wird.

Ein solches als Lichtquelle ausgeführtes Beispiel ist in Fig. 7 gezeigt. Dabei stammt das Licht aus einer Lichtquelle 50, die beispielsweise ein Glühwendel, ein Lichtbogen, eine Reihe von Superlumineszenzdioden oder ähnliches sein kann. Auf die Ausführung als Lichtquelle ist dieses Beispiel aber nicht beschränkt. Man kann auch ein anderes Lichtbündel, beispielsweise am Punkt A einleiten und in das Leuchtvolumen 50 fokussieren. Um Verluste durch Rücklauf einiger Strahlen in den Eingangsbereich A zu vermeiden, kann dann wieder ein optischer Isolator oder eine geeignete dielektrische Spiegelschicht vorgesehen werden.

Jedoch sind die Einleitungsbedingungen bei diesem Beispiel so günstig, daß man bei nicht zu geringen, im Ausgang verlangten Strahlprodukten auch darauf verzichten kann.

Ein Lichtstrahl 52, der von dem vorderen Ende des Leuchtvolumens 50 emittiert wird, wird durch die Linse 54, in dessen Brennpunkt es sich befindet, und einer Linse 56 auf die Blende 2 fokussiert. Andere Lichtstrahlen 53, die von diesem Ende des Leuchtvolumens in anderer Richtung emittiert werden, werden vom Parabolspiegel 58 parallelisert, da sich dieses Ende des Leuchtvolumens in dessen Brennpunkt befindet. Wegen der Parallelisierung werden dies Lichtstrahlen danach ebenfalls durch die Linse 56 in die Blendenöffnung 2 fokussiert. Der Durchmesser der Linse 56 ist so dimensioniert, daß alle von dem Punkt 35 auf der optischen Achse am Ende des Leuchtvolumens 50 ausgehenden Lichtstrahlen aufgrund der Linse 56 in die Blende 2 fallen.

Ein anderer Lichtstrahl 60, der entfernt vom Brennpunkt aus dem Leuchtvolumen emittiert wird, fällt nicht in die Blende 2, sondern auf die gekrümmte Spiegelfläche 6, aufgrund der das Lichtbündel aber in den Punkt 35, das Ende des Leuchtvolumens 50, zurück reflektiert wird, von dem aus es dann nachfolgend, wie alle vom Punkt 35 ausgehende Lichtstrahlen, in die Blende 2 geworfen werden. Ein anderes Lichtbündel, das noch weiter entfernt von dem Punkt 35 als der Lichtstrahl 60 von dem Leuchtvolumen 50 emittiert wird, wird dann erst nach 2, 3 oder mehr Reflexionen an der Spiegelfläche 6 in die Ausgangsblende 2 geleitet.

Parabolspiegel 58 und Linse 56 können auch durch einen elliptischen Spiegel ersetzt werden, dessen einer Brennpunkt bei 35 und der andere bei der Blendenöffnung liegt. Dies vereinfacht den Aufbau weiter. Außerdem kann auch das andere Ende des Leuchtvolumens in den Brennpunkt 35 gelegt werden, wobei aber der Hohlspiegel 6 für die gleiche Funktion, nämlich daß bei jeder Reflexion ein anderer Teil des Leuchtvolumens in die Blende 2 abgebildet wird, nach innen gewölbt werden sollte.

Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 7 ist das erreichbare Strahlprodukt im wesentlichen nur durch die Abmessungen bestimmt, während die Abmessungen des Leuchtvolumens 50 nur die Lichtintensität im Ausgang bestimmen. So ist der Durchmesser des Ausgangslichtbündels in der Blendenöffnung 2 allein durch deren Durchmesser d gegeben. Der Divergenzwinkel ist allein durch den Radius a des Linse 56, der gleich dem des Parabolspiegels 58 ist, bestimmt, so daß sich das Strahlprodukt bei großen Abständen I zwischen Linse 56 und Blende 2 als d.a/l ergibt. Bei einem Blendendurchmesser von 0,1 mm, einem Abstand I von beispielsweise 30 cm und einem Parabolspiegeldurchmesser, wie beispielsweise von Halogenlampen üblich, von ungefähr 3 cm, läßt sich damit im Ausgang ein Lichtbündel 3" mit einem Strahlprodukt von 0,01 mm Rad hoher Lichtintensität erzeugen, ein Ergebnis, das bei üblichen Lichtquellen ohne starken Intensitätsverlust bisher nicht erreicht wurde. Leitet man dieses Ausgangslichtbündel nach Parallelisieren in zwei nachfolgende Einrichtungen, beispielsweise gemäß Fig. 2 oder 3 ein, die jeweils auf eine Verbesserung des Strahlproduktes auf 1/10 oder noch kleiner ausgelegt sind, erhält man damit auch Lichtbündel mit Strahlprodukten, die denen von Lasern vergleichbar werden.

Verspiegelungen mit 95% oder 99% Reflexionsvermögen sind heutzutage durchaus kostengünstig herstellbar, so daß für eine Verringerung des Strahlproduktes entsprechend den Beispielen von Fig. 2 und Fig. 3 auch nur geringfügige Verluste zu erwarten sind, da dann diese Verbesserung schon mit ungefähr 10 Reflexionen von der Spiegelfläche 6 erreichbar ist.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich beim Ausführungsbeispiel von Fig. 7 dadurch, daß das Leuchtvolumen 50 in der Einrichtung zur Verringerung des Strahlproduktes integriert ist, weil dann nur wenige Strahlen durch eine Einkoppelöffnung, beispielsweise am Punkt A verlorengehen. Allerdings fallen nach den Reflexionen einige Lichtstrahlen wieder in das Leuchtvolumen 50 ein und können dort, beispielsweise bei einem zur Lichtemission eingesetzten Wendel absorbiert werden. Dies ist bei einem Wendel nicht weiter problematisch, weil dabei das zurück fallende Licht das Wendel weiter aufheizt und dadurch wieder eine höhere Lichtemission bewirkt.

Bei Aufbau des Leuchtvolumens 50 mittels Lumineszenzdioden kann es aber zu unerwünschter Lichtabsorption auf dem Halbleiterchip kommen, wenn diese auf der optischen Achse angeordnet werden. Diesbezüglich wird vorgeschlagen, mehrere Diodenzeilen seitlich von der optischen Achse anzuordnen, und die Spiegelfläche 6 zusammen mit der Linse 56 fokussierend auszubilden, damit die Reflexion über diese näher an die optische Achse heran führt so daß das rückgeworfene Licht vom Halbleitermaterial nicht mehr absorbiert werden kann. Das bedeutet auch, wie vorhergehend schon ausgeführt wurde, daß der Brennpunkt 35 vorzugsweise am anderen Ende der Diodenzeile liegt als es beim Beispiel von Fig. 7 gezeigt wurde. Eine von der optischen Achse beabstandete Anordnung ist natürlich auch bei einem Wendel möglich, wodurch ebenfalls die Reabsorption des Lichts vom Wendel verringert werden kann.

Bezüglich der Ausbildung des Leuchtvolumens 50 sei hier noch das Beispiel eines Lichtbogens auf der optischen Achse betrachtet. Bei einem Lichtbogen zur Emission des Lichts aus dem Leuchtvolumen 50 wird das in das Leuchtvolumen 50 nach Reflexionen einfallende Licht zwar durch den gegenüber der Atmosphäre der Umgebung unterschiedlichen Brechungsindex abgelenkt, das abgelenkte Licht stammt aber scheinbar wieder aus dem Leuchtvolumen 50 und durchläuft dieselben Reflexionen wie das ursprünglich durch den Lichtbogen selbst erzeugte Licht, so daß sich auch hier keine besondere Problematik ergibt.

Die Lichtemission läßt sich für besonders günstige Strahlprodukte ferner durch die Wahl der Elektrodenanordnungen optimieren. Eine derartige vorteilhafte Elektrodenanordnung wird nachfolgen noch anhand von Fig. 8 näher erläutert.

In Fig. 8 ist eine Elektrodenanordnung gezeigt, wie sie beispielsweise für die Erzeugung des Leuchtvolumens mit einem Lichtbogen günstig wird, um zu vermeiden, daß die Abschattung des Lichtwegs durch die den Lichtbogen erzeugenden Elektroden als Verlustfaktor wesentlich wird.

Fig. 8 zeigt eine Kathode 62 gegenüber der Anode 64. Die Anode 64 wird dabei vollständig verspiegelt. Gegenüber der üblichen Formgebung ist vor allem die sphärische oder parabolische Ausführung der der Kathode 62 zugewandten Fläche 66 zweckmäßig. Diese sorgt dafür, daß der Lichtbogen scheinbar von dessen durch die Form bestimmten Brennpunkt 35 ausgeht, der in den Brennpunkt 35 des Spiegels 58 gemäß Fig. 7 gelegt wird. Die Linse 12 kann dann allerdings, da in deren Richtung sowieso nur wenig Licht gerichtet ist, entfallen. Dafür weist die Anode 64 eine gekrümmte Fläche 68 auf, die Teile des von der Spiegelfläche 6 auftreffendes Licht im wesentlichen über die Linse 56 in die Blendenöffnung 2 fokussiert.

Diese Formgebung eines Spiegels, wie sie im Beispiel von Fig. 8 bei der Anode 64 gezeigt ist, läßt sich ferner auch beim Ausführungsbeispiel von Fig. 7 einsetzen, selbst wenn kein Lichtbogen verwendet wird. Auf die Linse 54 wird dann verzichtet und ein Formkörper nach Art der Anode 66 mit dem Brennpunkt 35 im Brennpunkt des Parabolspiegels 58 eingesetzt. Durch die erste Abbildung des Leuchtvolumens 50 über die Fläche 66 in den Brennpunkt 35 wird eine Entkopplung des Leuchtvolumens von dem zurück reflektierten Licht ermöglicht, so daß auch die Absorption reflektierten Lichts in die Licht emittierenden Elemente des Leuchtvolumens verringert werden kann.

Ferner lassen sich beispielsweise drei Superlumineszenzdioden entlang der optische Achse anordnen, die für die Farb- und Intensitätsinformation jedes Bildpunktes eines Fernsehbildes modulierbar sind, aber aufgrund des Spiegelsystems 6 und 58 gemischt werden, so daß der bisherige von der Laserprojektion bekannte Aufwand von dichroitischen Spiegeln, Modulatoren u. s. w. entfällt. Es kann erwartet werden, daß eine auf den hier beschriebenen Prinzipien gebaute Lichtquelle den Aufwand gegenüber den bisher eingesetzten Lichtquellen bei der "Laserprojektion" deutlich verringert, so daß diese Technik für Konsumeranwendungen verfügbar wird, bei denen der Kostenfaktor für einen Einsatz noch wesentlich verringert werden muß.

Zur Beleuchtung von Dias, Filmbildern, LCD-Matrixen oder ähnlichem kommt es aber nicht nur auf eine hohe Lichtintensität sondern auch auf eine gleichmäßige Beleuchtung des zu projizierenden Bildes an. Die bei den gezeigten Beispielen eingesetzte Vielfachreflektion ist auch geeignet, eine derartige Gleichmäßigkeit in einem Beleuchtungsfeld bewirken.

Diesbezüglich ist vor allem die Videotechnik mit Kippspiegelmatrixen hervorzuheben. Kippspiegelmatrixen sind Anordnungen von Kippspiegeln in Reihen und Spalten, mit deren Schaltzustand ein Bild dargestellt wird. Bei digitalen Kippspiegelmatrixen, wie sie beispielsweise von der Firma Texas Instruments erhältlich sind, sind im wesentlichen zwei Schaltzustände der einzelnen in der Kippspiegelmatrix angeordneten Kippspiegel möglich, ein Schaltzustand in dem jeder Kippspiegel bei einer bestimmten Auftreffrichtung des einfallenden Lichts in eine bestimmte Richtung voll reflektiert, ein anderer, in dem in eine andere Richtung reflektiert wird, bei der aber auch der Anstellwinkel des Spiegels zum einfallenden Licht so ungünstig ist, daß der Kippspiegel praktisch kein Licht mehr in die erstgenannte bestimmte Richtung reflektieren kann.

Damit sind Schwarz-Weiß-Graphiken für Computermonitore möglich, indem man jeden einem Bildpunkt zugeordneten Kippspiegel entsprechend der darzustellenden Bildinformation entweder auf Hell oder Dunkel schaltet. Will man auch Videobilder mit einer Kippspiegelmatrix darstellen, wird jeder Kippspiegel mit einem Pulszug beaufschlagt, der schnell zwischen beiden Zuständen für Hell und Dunkel hin- und herschaltet, so daß im Auge des Betrachters oder bei einer photographischen Aufnahme für jeden Kippspiegel ein Grauwert entsprechend dem Hell/Dunkeltastverhältnis des für diesen vorgesehenen Pulszuges entsteht.

Auch Farbbilder sind möglich, bei denen das zur Beleuchtung verwendete Licht üblicherweise mittels eines Farbrads, sequentiell mit auf dem Farbrad vorgesehenen Farbfiltern gefiltert wird. Auf der Kippspiegelmatrix wird dann ein Farbauszug des Farbbildes synchron mit der momentanen Farbe des Lichts eingestellt, so daß das Auge oder ein photographischer Film dann im Zeitmittel das aus diesen Farbauszügen zusammengesetzte Farbbild erfaßt.

Die vorangegangenen Ausführungsbeispiele können auch zur Beleuchtung derartiger Kippspiegelmatrixen eingesetzt werden. Farbräder sind beispielsweise dann unnötig, wenn das Licht, wie vorher schon beschrieben, mit Superlumineszenzdioden verschiedener Farben gewonnen wird. Ist die Blende 2 rechteckig gewählt, wird auch ein rechteckiges Ausgangslichtbündel erzeugt, das mit der Kippspiegelmatrix voll zu Deckung gebracht werden kann, wodurch Lichtverluste ebenfalls entsprechend klein gehalten werden. Außerdem kann erwartet werden, daß die Kippspieglematrix bei geeigneter Krümmung der Spiegelflächen gleichmäßiger als bekannt ausgeleuchtet wird, da die Vielfachreflexion in der Vorrichtung dafür sorgt, daß der Ursprung des Lichts, also das Bild der Lichtquelle, beispielsweise eines Wendels, vollständig verloren geht.

In Fig. 9 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, das speziell zur Beleuchtung einer Kippspiegelmatrix 70 ausgestaltet wurde. Die Blende 2 ist hier rechteckig ausgelegt. Um eine gleichmäßige Ausleuchtung zu erzielen, ist weiter ein Lichtleiter 72 vorgesehen. Im Ausführungsbeispiel war dies ein einfacher Glasstab, der an seiner Umfangsfläche total reflektiert. Durch die Totalreflexionen an den Seitenflächen des Glasstabes wird das Ausgangslicht zusätzlich zu den weiteren Reflexionen nochmal durchmischt, so daß bei entsprechender Länge ein geeignet gleichmäßiges Lichtfeld auf die Kippspiegelmatrix 70 gerichtet wird.

In die der Blende 2 gegenüberliegende Stirnfläche des Lichtleiters 72 wird das Licht aus einem Leuchtvolumen 50 eingekoppelt. Das Leuchtvolumen 50 wurde hier mit Diodenzeilen der Farben Rot, Grün und Blau erzeugt, die mit einer nicht gezeigten Steuereinrichtung sequentiell angesteuert wurden. Deswegen ist in diesem Beispiel aufgrund des fehlenden Farbfilterns eine wesentlich geringere Verlustleistung als mit der Farbradtechnik zu erwarten, da bei geeigneter Wahl der hier verwendeten Spiegelkrümmungen nahezu die volle Lichtleistung auf die Kippspiegelmatrix 70 gerichtet werden kann. Die Superlumineszenzdioden sind von der optischen Achse 1 beabstandet, damit die Eintrittsfläche des Lichtleiters 72 nicht abgeschattet wird, was auch wieder zu Lichtverlusten führen könnte.

Zur Überführung des Lichts aus den von der Achse beabstandeten Lumineszenzdioden auf die optische Achse und zur Einkopplung des Lichts in den Lichtleiter 72 ist ein spezieller verspiegelter Körper 74 vorgesehen, der eine zum Parabolspiegel 58 weisende gekrümmten Oberfläche 76 aufweist. Die Brennpunkte 35 des Parabolspiegels 58 und der gekrümmten Oberfläche 76 liegen deshalb am Beginn des Leuchtvolumens 50 und verkleinern bei jeder Hin- und Herreflexion des Lichts zwischen Parabolspiegel 58 und gekrümmter Oberfläche 76 das entstandene Lichtbündel, so daß es bei jeder Reflexion näher an die optische Achse 1 geführt wird und dann letztendlich in den Lichtleiter 72 fällt.

Es gibt jedoch auch Lichtanteile, die beim Spiegeln in den Zwischenraum zwischen spiegelnde Fläche 6 und Parabolspiegel 58 fallen. Die spiegelnde Fläche 6 ist so gekrümmt, daß das aus dem Volumenbereich zwischen Parabolspiegel 58 und Fläche 76 herausgestreute Licht wieder in das Leuchtvolumen 50, jedoch mit verschobenem Fokus auf der optischen Achse 1 zurückgeführt wird. Bei entsprechender Formgebung der zur Blende 2 weisenden Oberfläche 78 des Körpers 70, werden auch die unter steilem Winkel von der spiegelnden Fläche 6 zurückgeworfenen Lichtstrahlen wieder in das Leuchtvolumen 50 zurückgeführt. Die Formen der Spiegelflächen 6 und 58 werden mit Hilfe von Rechnerprogrammen in bekannter Art für maximale Ausgangsleistung optimiert. Als Startwerte für das Rechenprogramm sollte dabei die Fläche 6 parabolisch und die Fläche 78 sphärisch mit dem Brennpunkt der parabolischen Fläche 6 als Mittelpunkt angenommen werden. Bei dieser Annahme wird nämlich jeder aus dem Brennpunkt 35 stammende Lichtstrahl wieder in diesen zurückgeführt, während alle anderen Lichtstrahlen verschoben werden. Damit spiegelt diese Ausgangsbedingung für das Rechenprogramm schon eine Konfiguration nahe der Idealen wieder.

Die vorhergehenden Beispiele zeigen insbesondere, wie vorteilhaft die dargestellte Einrichtung zur Veränderung des Strahlproduktes eingesetzt werden kann. Weiter wurde verdeutlicht, mit welcher großen Vielzahl von Modifikationen die Erfindung verwirklicht werden kann. Wenn allerdings oben von Parabolspiegeln, elliptischen Spiegeln u.s.w. gesprochen wurde, so ist die Erfindung darauf nicht beschränkt. Die Beispiele sollten ausschließlich die verschiedenen verwendbaren Prinzipien verdeutlichen. Im allgemeinen wird man aber die verschiedenen Spiegel, insbesondere die Spiegel 58 und 6, bezüglich Spiegelkrümmung auf die Leuchtdichte- und Winkelverteilung des Stammlichtbündels so optimieren, daß bei gegebenen Strahlprodukt eine maximale Intensität am Ausgang erreicht wird. Wie aus den Erörterungen der obigen Beispiel erkennbar ist, hängt der im einzelnen zu wählende Aufbau der Vorrichtung dabei wesentlich vom Anwendungsfall ab.

Im folgenden soll noch ein besonderes bevorzugtes Ausführungsbeispiel im Detail beschrieben werden, wobei vorhergehend noch die Grundlagen des Aufbaus eingehender beschrieben werden, was dem Fachmann ohne größere Überlegungen den Aufbau einer Quelle mit Strahlprodukten erlaubt, wie sie bisher nur von Lasern erwartet wurden. Allerdings sind Teile davon auch für eine Quelle zur Beleuchtung mit geringeren Anforderungen geeignet, wie beispielsweise für Mikroskopbeleuchtungen oder die Beleuchtung von Kippspiegelmatrixen.

Die vorgestellte Quelle ist insbesondere auch für eine Änderung der Farbe des Ausgangslichts ausgelegt. Dabei ist die Farbe nicht von thermischen Effekten abhängig, sondern allein durch quantenmechanische Zustände bestimmt, so daß auch eine hohe spektrale Reinheit gewährleistet ist, wie sie beispielsweise für das "Laserfernsehen" erwünscht ist.

Der Ausgangsstrahl besteht dabei allerdings nicht aus Laserlicht, was einen besonderen Vorteil erbringt. Die durch Interferenzeffekte eines kohärenten Laserstrahls entstehenden störenden "Speckle" entfallen darin nämlich bei dieser Quelle, da die Kohärenzlänge des Ausgangslichts durch geeignete Auslegung von Leuchtstoffen praktisch beliebig klein gewählt werden kann.

Anhand der Fig. 10 bis Fig. 12 wird zuerst der Aufbau der bei der Quelle weitgehend eingesetzten metall/dielektrischen Spiegelsysteme erläutert. Die Figuren zeigen dabei schematisch den Aufbau einer Schichtenfolge von links nach rechts.

In Fig. 10 ist eine metallische Spiegelschicht 80 mit zur Veranschaulichung auf Null gesetzter Dicke gezeigt, die von einer dielektrischen Schicht 82 hohen Brechungsindexes so weit beabstandet ist, daß für einen Lichtstrahl 86 beim Durchlaufen einer Strecke zwischen der metallischen Spiegelschicht 80 und der Eintrittsfläche 84 der dielektrischen Schicht eine Phasendifferenz von (n + 1/2)π entsteht. Das bedeutet dann, daß der von der dielektrischen Schicht 82 reflektierte Lichtanteil 88, der durch die metallische Spiegelschicht 80 durchgelassen wird, gegenüber dem von der Metallschicht 80 reflektierenden Anteil 90 im wesentlichen eine Phasendifferenz von π aufweist. Wenn nun die Amplituden der Lichtstrahlen 88 und 90 gleich ausgelegt sind, interferieren diese sich gegenseitig weg, so daß kein Anteil des Lichtbündels 86 reflektiert wird und dieses voll in die dielektrische Schicht 82 eintritt.

Bei einem Lichtstrahl 92, der aus der dielektrischen Schicht 82 auf diese Struktur fällt, ist die Situation dagegen anders. Da bei Austritt eines Lichtstrahls aus einer Schicht mit erhöhtem Brechungsindex ein Phasensprung von π erfolgt, ist die gesamte Phasenverschiebung zwischen den von der Grenzfläche 84 der dielektrischen Schicht 82 und der Metallschicht 80 reflektierten Lichtbündeln 2π, deren Amplituden addieren sich also. Das bedeutet, der einfallende Lichtstrahl 92 wird bei geeigneter Größe der Amplituden nahezu vollständig zurückreflektiert werden.

Der Leistungsverlust in der metallischen Schicht 80 sollte dazu möglichst gering sein. Deshalb sollten Metalle mit hohem Reflexionsgrad im interessierenden Spektralbereich ausgewählt werden, wie Silber oder unter Schutzgas gesputtertes Magnesium. Zum Erreichen eines großen Gesamtreflexionsgrads sollte der Reflexionsgrad der Schichten 82 und 80 in der Größenordnung 0,5 und höher liegen. Wenn wesentlich kleinere Reflexionsgrade gewählt werden läßt sich allerdings ebenfalls ein hoher Reflexionsgrad erreichen, indem man dann ein Mehrschichtsystem, dessen Einzelschichten gemäß diesem oder den weiteren in Fig. 11 und 12 gezeigten Beispielen ausgelegt sind, vorsieht, um einen möglichst hohen Reflexionsgrad in einer Richtung und hohen Transmissionsgrad in der entgegengesetzten Richtung zu erzielen.

Derartige Schichtsysteme werden in der später beispielhaft beschriebenen Quelle intensiv eingesetzt. Dabei werden derartige Spiegelflächen zeichnerisch mit einer Linie und einem Pfeil gekennzeichnet, wie es rechts der Fig. 10 bis 12 gezeigt ist, wobei die Linie die Lage der Spiegelfläche kennzeichnet, während der Pfeil die Richtung voller Transmission anzeigt.

In Fig. 11 ist der Abstand zwischen den Schichten 80 und 82 gemäß einer Phasendifferenz nπ gewählt. Das bedeutet, die obigen Betrachtungen gelten nun für entgegengesetzte Richtungen, wie man sich leicht durch Addieren der Phasenverschiebungen überzeugt. Deswegen wird dieses Schichtsystem auf der rechten Seite der Fig. 11 mit einem in Richtung von links nach rechts zeigenden Pfeil schematisch dargestellt.

Das System von Fig. 11 hat noch einen besonderen Vorteil, denn falls n = 0 gewählt ist, liegt die Schicht 80 genau auf der Oberfläche 84 der Schicht 82. Damit sind unabhängig von der Wellenlänge und des Einfallswinkels des Lichtstrahles die selben Phasenbedingungen gegeben. Ein derartiges System kann also in der Praxis für ein großes Spektrum des Lichts für nahezu alle Winkel gemäß der dargestellten Transmissions/Reflexionseigenschaften eingestellt werden.

Fig. 12 zeigt ein System mit zwei Metallschichten 80 und 80', jeweils gemäß den Beispielen von Fig. 10 und Fig. 11, bei dem sich insgesamt eine Spiegelcharakteristik ergibt, wie sie rechts der Fig. 12 mit einer Linie und einem Pfeil schematisch dargestellt ist. Wie man sich auch überzeugt, trägt dabei die Dicke der Schicht 82 nicht bei. Das hat den Vorteil, daß man einen Freiheitsgrad gewinnt, der beispielsweise genutzt werden kann, das Schichtsystem gemäß Fig. 12 für mehr als eine Wellenlänge oder mehr als einen Winkel zu optimieren, indem für 82 ein Schichtaufbau gewählt wird, bei dem eventuelle Phasendifferenzen bei Abweichungen in Winkel und Wellenlänge bezüglich der eingezeichneten π/2 kompensiert werden.

Bei einem anderen, nicht gezeigten Ausführungsbeispiel mit einer Metallschicht 80 zwischen zwei dielektrischen Schichten 82 mit entsprechenden Abständen zur Phasenverschiebung ergäbe sich bezüglich Transmission und Reflexion ein weniger günstiges Winkelverhalten, welches durch das Vorsehen eines komplexeren Mehrschichtsystems kompensiert werden müßte. Bei der Fertigung eines Schichtsystems gemäß Fig. 12 ergeben sich deshalb demgegenüber Vorteile bezüglich eines geringeren Fertigungsaufwands.

Ein solches Schichtsysteme, das Licht, welches von einer Richtung kommt, reflektiert und das, das aus der entgegengesetzten Richtung kommt, transmittiert, wird im folgenden Isolator oder isolierendes Schichtsystem genannt. Statt der einfachen in Fig. 10 bis 12 gezeigten Schichtsysteme wird man dafür in der Praxis Mehrschichtsysteme verwenden, die für einen geeigneten Winkel- und Wellenlängenbereich ausgelegt sind sowie die in Praxis vorkommenden Schichtdicken der Metallschichten 80 und 80' mitkompensieren.

In Fig. 13 ist nun in einem Beispiel gezeigt, wie man die optisch isolierenden Schichten ausnutzen kann, um auf einfache Weise eine Vorrichtung zur Verbesserung des Strahlproduktes zu schaffen. Diese Vorrichtung weist einen außen mit einer von den vorher beschriebenen transmittierenden/reflektierenden Spiegelschichten 95 versehenen Innenkegel 96 sowie einen mit einer spiegelnden Innenschicht 97 versehenen Außenkegel 98 mit einer Blendenöffnung 2 auf.

Ein in der Nähe der optischen Achse 1 einfallender Lichtstrahl eines Lichtbündels wird ohne Reflexionen durch die Blendenöffnung 2 hindurch gehen. Dagegen wird ein weit von der optischen Achse 1 einfallender Lichtstrahl 102 nach Transmission durch Schicht 95 zwischen Schicht 95 und 97 hin- und herreflektiert, bis es durch die Blendenöffnung 2 ausfällt.

Der Winkel der Mantellinie der parallelen Kegelflächen 95 und 97 zur optischen Achse 1 sollte für eine wirkungsvolle Verringerung des Strahlproduktes bei geringem Platzbedarf für die in Fig. 13 gezeigte Vorrichtung größer als 30° sein. Insbesondere wird für die nachfolgend beschriebenen Quellen ein Winkel von 45°± 5° vorgezogen, wobei in den folgenden Beispiele immer einen Winkel von genau 45° verwendet wird.

Dieses Beispiel ist einfach aufgebaut, wird hier jedoch nur für Eingangslichtbündel geringer Strahldivergenz empfohlen. Zum Erreichen hochqualitativer Ausgangslichtbündel hat es sich dagegen als günstiger erwiesen, senkrecht zur optischen Achse zwei orthogonale Koordinaten x und y zu definieren und statt der Kegel 95 und 97 parallele Platten vorzusehen, die das einfallende Lichtbündel für eine der Koordinaten x oder y in den dann als Öffnung vorzusehenden Schlitz 2 bündeln. Diese parallelen Platten werden dann für ein vollständiges Bündeln in beide Richtungskomponenten durch ein zweites paralleles Plattenpaar geführt, welches das Lichtbündel nachfolgend in der anderen Richtung y oder x komprimiert. Wie sich der dann ergebende rechteckige Strahl wieder in einen kreisförmigen Strahl umgeformt werden kann, wird später am Ausführungsbeispiel der beschriebenen Quelle deutlicher.

Warum diese Art des Bündelns, getrennt in x und y-Richtungen, günstiger als die radiale Bündelung ist, läßt sich anhand der Fig. 14 einsehen. Diese zeigt schematisch den Zwischenraum zwischen den Schichten 95 und 97. Ein Lichtstrahl, der an einem Ort mit Radius R₁ wegen des von Null verschiedenen Strahlproduktes des einfallenden Lichtbündels mit einem auf die zur optischen Achse 1 senkrechten Ebene projizierten Richtungsvektor V₁ durch die Schicht 95 durchgelassen wird, wird aufgrund der Reflexionen zwischen den Schichten 95 und 97 zum Radius R₂ geführt. Da der Radius R₂ zum Radius R₁, wie zeichnerisch dargestellt, dann im allgemeinen einen von Null verschiedenen Winkel aufweist, wird der jeweilige Richtungsvektor V₂ zum Radius R₂ gegenüber V₁ zum Radius R₁ im Winkel geändert. Bei großen Divergenzen im Stammlichtbündel entstehen dadurch zusätzliche Reflexionen zwischen den Flächen 95 und 97, die, weil das Reflexionsvermögen der Spiegelschichten 95 und 97 immer kleiner als 1 sind, zu großen Intensitätsverlusten führen können.

Dieser Effekt tritt, wie man sich durch eine ähnliche Skizze wie Fig. 14 deutlich macht, nicht auf, wenn statt der Kegelflächen 95 und 97 ebene Platten eingesetzt werden. Selbst die erhöhten Zahl von Reflexionen wegen des getrennten Bündelns in x und y-Richtung führt bei starker Verringerung des Strahlproduktes mit derartigen planparallelen Platten immer noch zu geringeren Verlusten, als das Beispiel mit den Kegelflächen. Das Beispiel von Fig. 13 hat allerdings für einen besonders kompakter Aufbau Vorteile, und kann eingesetzt werden, wenn bei üblichen Winkeldivergenzen des einlaufenden Strahls nur eine Verringerung des Strahlproduktes um einen Faktor kleiner als 5 erzielt werden soll.

Für das Beispiel von Fig. 13 mit planparallelen Platten statt der gezeigten Kegel 96 und 98, läßt sich für eine Kaskadierung, weil dann die Änderung der Richtungsvektoren V_1,2 nicht berücksichtigt werden muß, auch der günstigste Reduktionsfaktor für eine einzelne Stufe einer Kaskade abschätzen, wie im folgenden kurz ausgeführt wird:

Sei s < 1 der Reduktionsfaktor des Strahlproduktes einer Stufe, also, da bei planparallelen Platten der Winkel unverändert bleibt, der Radius des ausfallenden Strahles zu dem des einfallenden Strahles, erreicht man bei m Stufen, ohne Winkeländerüngen berücksichtigen zu müssen, eine Verringerung des Strahlproduktes von s^m. Andererseits sind gemäß Fig. 13 pro Stufe 25 Reflexionen nötig, jeweils s an der Fläche 95 und s an der Fläche 97. Wegen der getrennten Reduktion für x und y-Richtung benötigt man in der ganzen Kaskade dann 4sm Reflexionen, um vom maximalen Radius zu dem der in der Kaskade letzten Blendenöffnung 2 zu gelangen. Bei Vorliegen eines Reflexionsgrads r wird die Intensität dann statistisch auf r^4sm reduziert. Um möglichst wenig Licht zu verlieren, sollte der Faktor sm also möglichst gering gewählt werden.

Bei vorgegebener Strahlproduktverringerung S = s^m gilt weiter die Beziehung

m = ln (S)/ln (s)

Das Minimum von ms für den geringsten Verlust ist daher durch das Minimum der Funktion - s/ln (s) gegeben. Durch Ableiten und Nullsetzen dieser Funktion erhält man das Ergebnis s = 1/e für das Minimum, wobei e die Basis der natürlichen Logarithmen ist.

Allerdings verläuft die Funktion s/ln (s) im Bereich s = 1/e sehr flach. Das bedeutet, daß für die praktische Anwendung durchaus Werte von s zwischen 1/2 und 1/10 in Frage kommen, ohne daß große Reflexionsverluste berücksichtigt werden müssen. Bei der nachfolgen eingehender dargestellten Quelle wird im wesentlichen s = 1/4 verwendet.

Die geringe Verbesserung des Strahlproduktes um einen Faktor 4 bedeutet aber auch, daß eine Kaskadierung sehr aufwendig werden kann, wenn nicht von dem folgenden Aufbau einer integrierten Kaskade gemäß Fig. 15 Gebrauch gemacht wird:

Das Beispiel von Fig. 15 ist in der Art planparalleler Platten ausgeführt, und daher nur in einer Richtung zur Verbesserung des Strahlproduktes wirksam und muß noch von der gleichen Struktur in senkrechter Richtung dazu ergänzt werden. In diesem Beispiel ist ein Außenspiegel 98 analog zum äußeren Kegel 98 gemäß Fig. 13 vorgesehen. Der innere Spiegel 95 ist wieder ein optischer Isolator, jedoch hier stufig in Form eines Christbaums ausgeführt.

Ein Lichtstrahl 102 wird bei seiner Ausbreitung in Richtung zur optischen Achse aufgrund der Reflexionen an der Fläche 97 durch die dabei erfolgende Verringerung des Plattenabstands immer häufiger reflektiert, wobei er insgesamt wesentlich weniger Reflexionen erleidet, als wenn nur der kleinste Abstand entsprechend der Blendengröße 2 vorgesehen wird. Im Prinzip stellt das Ausführungsbeispiel von Fig. 15 eine Kaskade mit drei Stufen dar, wie man sich leicht überzeugt, wenn man drei Stufen gemäß Beispiel 13 mit Blendenöffnungen und Plattenabständen, deren Maße gleich den in der Kaskade gegebenen R_n gewählt sind, hintereinander zeichnet.

Die Integration der Stufen in der in Fig. 15 gezeigten einfachen Form verwendet dagegen den gleichen Außenspiegel 98 für alle drei Stufen, wodurch sich dann die gezeigte Form des Spiegels 95 ergibt. Man kann auch die Platten 95 des Innenspiegels plan halten und die Stufen im Spiegel 98 vorsehen. Im Folgenden wird aber nur die Ausführungsform des Beispiels von Fig. 15 verwendet, die auch eine einfachere Fertigung der Isolatorschichten und Spiegelschichten gestattet.

In Fig. 15 sind noch die Größen R_n und die Durchstoßpunkte A_n, B der verschiedenen Spiegelebenen angegeben, die später in Tabellen aufgeführt werden, mit denen das später ausführlich angegebene Ausführungsbeispiel detaillierter charakterisiert wird.

Eine andere Möglichkeit der Strahlproduktverbesserung mit Hilfe der isolierenden Schichten ergibt sich beispielsweise dadurch, daß man das Ende einer Lichtleitfaser mit einer metallldielektrischen Isolatorschicht umgibt und mit einer Linse auf dieses Ende fokussiert. Bei der Fokussierung des Lichtbündels wird ein Lichtbündel in die aufgrund des von Null verschiedenen Strahlproduktes gegebenen verschiedenen Brennpunkte, wie sie in Fig. 6 veranschaulicht wurden, in die Nähe der Achse der Lichtleitfaser geleitet. Wegen der isolierenden Schicht kann das Licht zwar in diese Faser eintreten, aber nicht mehr austreten, so daß hier automatische ein Strahlenbündel mit dem Durchmesser der Faser gebildet wird und der Divergenzwinkel im wesentlichen durch die Fokussierung gegeben ist. Durch Wahl des Radius der Faser an die Grenzen der minimalen Ausdehnung der Kaustik läßt sich dann das Strahlprodukt bei praktisch gleichbleibender Intensität verringern.

Auch diese Ausführungsform läßt sich durch Ineinanderschachteln mehrerer Körper mit isolierenden Schichten als integrierte Kaskade ausbilden, wie es beispielhaft anhand der Fig. 16 und Fig. 17 gezeigt ist. Dabei zeigt Fig. 16 schematisch einen Seitenansicht und Fig. 17 die entsprechende Vorderansicht.

Die isolierenden Schichten 104, 106 und 108 führen einen auf deren Eingangsfläche fokussierten Lichtstrahl, wie in Fig. 16 zu sehen ist, immer näher an die optische Achse 1, wobei der Winkel beibehalten wird.

Hier ist auch darauf hinzuweisen, daß der Querschnitt der Isolatorschicht 106 gemäß Fig. 17 quadratisch ist, während die Querschnitte von 104 und 108 kreisförmig gewählt sind. Damit wird praktisch jeder Lichtstrahl in die Nähe der optischen Achse 1 geführt, während es beispielsweise bei Fehlen des rechteckigen Isolators Strahlen geben würde, die an der Peripherie eintreten und dort rundum reflektiert jedoch niemals in den inneren zylindrischen Isolator 108 eintreten würden.

Ein anderes Beispiel für die Formgebung entsprechender Isolatorschichten ist in Fig. 18 gezeigt. Dort wird dasselbe, nämlich das Führen aller Lichtstrahlen in das Zentrum, durch eine Asymmetrie eines kreisförmigen Isolators 106 gewährleistet. Allgemein sollten also in diesen Beispielen die ineinander liegenden Isolatoren möglichst ungleichmäßig in Ihrer radialen Symmetrie und/oder Umfangssymmetrie gestaltet werden, damit bei einer Verbesserung des Strahlproduktes möglichst wenig Licht verloren geht.

Zurück zu Fig. 16 und Fig. 17. In Fig. 16 ist weiter ein Spiegel 110 gezeigt. Dieser sorgt dafür, daß die Strukturen 104, 106 und 108 kürzer gehalten werden können, da der Spiegel etwaiges über die Strukturen bei der Fokussierung hinausgehendes Licht wieder zurückwirft.

Damit können die Isolatoren 104, 106 und 108 in Ihrer Ausdehnung längs der optischen Achse 1 verkürzt werden. Dies ist vorteilhaft, da die Längen die Anzahl der Reflexionen und damit den möglichen Lichtverlust bestimmen. Im allgemeinen sollte die Länge derartiger isolierender Flächen 104,106 und 108 kleiner als 2.d/tan(θ) und insbesondere kleiner als d/tan(θ) sein. Dabei ist θ der Divergenzwinkel des einfallenden Lichtbündels, der im wesentlichen durch die vorgenannte Fokussierung bestimmt ist, und d die maximale laterale Ausdehnung von der optischen Achse, also bei einem Zylinder dessen Radius. Damit wird gewährleistet, daß jeder Lichtstrahl bei der Verringerung des Strahlproduktes in jedem Isolator 104, 106, 108 nur eine oder zwei Reflexionen erleidet, was den möglichen Lichtverlust aufgrund unvollständiger Reflexion verringert.

Die folgende beispielhaft beschriebene Quelle mit Vorrichtung wurde für den Einsatz bei "Laserfernsehen" zum Ersatz der Laserquelle, der Modulatoren, der dichroitischen Spiegel zum Zusammenführen der Strahlen berechnet.

Die farbigen Lichtanteile für die Beleuchtung jedes Bildpunktes eines Videobildes sollten für derartige Zwecke zeitlich möglichst konstant bleiben. Unter dieser Voraussetzung sind thermische Quellen für einen derartigen Einsatz auszuschließen, deren Emissionsspektrum sich im Zeitverlauf ändern kann.

Dagegen sind integrierte Schaltkreise mit der für die gewünschte Leistung geeignete Anzahl integrierter LEDs als Primärquelle geeignet. Um auch diese bei der im nachfolgenden beschriebenen Quelle ohne weiteres einsetzen zu können, wird für dieses Beispiel auch ein großes Leuchtvolumen 50, nämlich ein Zylinder mit einer Länge von 5 cm und einem Durchmesser von 1 cm, vorgesehen, der Platz genug für eine Vielzahl von LEDs bietet, der in Praxi selbst bei außerordentlich vielen einzelnen oder auf einem gemeinsamen Substrat integrierten LEDs zum Erzeugen hoher Lichtleistung wahrscheinlich niemals ausgenutzt wird.

Der große vorgesehene Raum für das Leuchtvolumen 50 ist aber für eine alternative Lichtquelle besonders günstig gewählt, die einfach herstellbar ist und die bekannten, heute noch vorliegenden Probleme bei blauen LEDs umgeht. Alternativ wird hier als Lichtquelle eine einfache Elektronenquelle vorgeschlagen, wie sie beispielhaft in Fig. 19 gezeigt ist.

In einem evakuierten Glaszylinder 100 ist ein Filament 112 zur Erzeugung von Elektronen vorgesehen, die mittels einer Hochspannung zu einer im Inneren des Glaszylinders 100 aufgebrachten Anodenschicht 114 beschleunigt werden. Die Anodenschicht 114 besteht dabei aus fluoreszierenden Substanzen, die gemäß der gewünschten Farbe des Lichts ausgewählt sind. Für die meisten Farben eignet sich die Elektronenanregung der Leuchtelektronen von Alkalimetallen. Als wirksame Stoffe sind aber auch Substanzen, die Cu oder Ti enthalten geeignet. Weiter sind auch organische Stoffe mit hohem Wirkungsgrad für die elektronenangeregte Fluoreszenz bekannt.

Wichtig ist die fluoreszierende Eigenschaft der Anode, im Gegensatz zu Farbbildröhren, bei denen man phosphoreszierende Substanzen als Leuchtstoffe aussucht. Der Einsatz der Fluoreszenz statt der zeitlich langsam abklingenden Phosphoreszenz ist für "Laserfernsehen" zweckmäßig, damit das Licht dieser Quelle mit mehreren Megahertz gesteuert werden kann. Für die Beleuchtung von DMD Matrixen können allerdings auch die üblichen Bildschirmphosphore als Leuchtstoffe in der dargestellten Quelle ausreichend sein.

Im Ausführungsbeispiel von Fig. 19 wird die Lichtintensität über drei Gitter 16, jedes für eine Farbe, gesteuert, die sich über die gesamte Länge der Elektronenröhre gemäß Fig. 19 erstrecken, jedoch unterschiedliche Sektoren einer Zylinderoberfläche mit jeweils ungefähr 120° ausfüllen. Die Leuchtstoffe in der Anodenschicht 114 sind in entsprechenden Sektoren für unterschiedliche Farben angeordnet, so daß jedes der drei Gitter 116 die Lichtintensität für eine bestimmte Farbe steuert. Weitere Brems- und Beschleunigungsgitter sind in Fig. 19 nicht eingezeichnet, die zur Erhöhung der Schaltgeschwindigkeit der Röhre gemäß Fig. 19 eingebaut werden können.

Weiter können zur Erhöhung des Elektronenstroms auf die Anodenschicht 114 elektronenvervielfachende Schichten, beispielsweise aus CuBe, vorgesehen werden. Durch Auslegung des Filaments 116, Wahl der Hochspannung zur Elektronenbeschleunigung, und der Länge ist aber unabhängig vom gewählten Aufbau nahezu jede praktisch geforderte Lichtleistung erreichbar, wobei durch eine große gewählte Länge der Röhre auch die Belastung der Leuchtstoffe beliebig gering gehalten werden kann, um eine möglichst hohe Lebensdauer einer Elektronenstrahlröhre gemäß Fig. 19 zu garantieren.

Daß hier eine Elektronenröhre zum Erzeugen des Primärlichtbündels vorgesehen werden kann, zeigt auch, daß gemäß der Erfindung ganz andere Wege beschritten werden können als bei herkömmlicher Beleuchtung. Während man üblicherweise das Emissionsvolumen für die Lichterzeugung sehr klein hält, um geeignete Strahlprodukte zu erreichen, kann hier sogar ein sehr große Fläche, nämlich im Beispiel bei einer Länge der Elektrone 18080 00070 552 001000280000000200012000285911796900040 0002019840769 00004 17961nröhre gemäß Fig. 19 von 5 cm und einem Durchmesser von 1 cm, von 15 cm² verwendet werden, was zu sehr großen Strahlprodukten führen muß und bisher für Beleuchtungszwecke als ungeeignet angesehen wurde.

Wie dieses große Strahlprodukt bis auf Laserqualität verringert wird, wird nun im folgenden anhand der Fig. 20 und Fig. 21 beschrieben. Dabei ist in Fig. 20 die erste Stufe gezeigt, mit der das Strahlprodukt der Elektronenquelle unter 1 mm rad erniedrigt wird. Als Strahlprodukt wird hier der mittlere Abstand der einzelnen Lichtstrahlen von der optischen Achse 1 multipliziert mit dem quadratisch gemittelten Sinus des Winkels der einzelnen Lichtstrahlen bezeichnet.

Die Lichtquelle 119 gemäß Fig. 19 befindet sich im Emissionsvolumen 50 der Quelle gemäß Fig. 20. Dessen Licht durchläuft erst eine zylindrische Isolatorschicht 120. Diese könnte schon auf dem Glaskörper der Elektronenquelle gemäß Fig. 19 aufgebracht werden. Sowohl fertigungstechisch als auch für die Wartung, da die Quelle 19 nach Ablauf ihrer Lebensdauer ja ersetzt werden muß, ist es aber vorzuziehen, einen eigenen Glaszylinder mit dieser Isolatorschicht vorzusehen, in den die Elektronenquelle dann hinein geschoben wird.

Die Isolatorschicht 120 ist von einem kegelstumpfförmiger Körper 122 mit einer Innenverspiegelung umgeben. Das Licht aus der Elektronenquelle wird nach Transmission durch die Isolatorschicht 120 zwischen dieser und der verspiegelten Schicht auf dem kegelstumpfförmigen Körper 122 hin und herreflektiert bis es zu einem Isolator 124 gelangt und dort von der Lichterzeugung entkoppelt wird.

Mit Hilfe des kegelstumpfförmigen Körpers wird das Licht bis auf einen maximalen Durchmesser von 2 cm ausgedehnt. Aufgrund der verschiedenen Reflexionen bis das Licht zu dem Isolator gelangt, spielt die Länge des Emissionsvolumens keine Rolle mehr, ein Umstand, der es gestattet auch lange Elektronenröhren für eine Quelle einzusetzen.

Der Isolator 124 stellt praktisch eine neue Emissionsfläche von ungefähr 2 cm² dar. Weiter ist die Emissionswinkelverteilung des vom Isolator 124 ausgehenden Lichts aufgrund des Konuswinkel des kegelstumpfförmigen Körpers 122 stark verkleinert. Hinter dem Isolator 124 liegt daher schon ein gegenüber dem beim Licht-Emissionsprozeß vorliegenden Strahlprodukt wesentlich verringertes Strahlprodukt für das austretende Lichtbündel vor. Die Lichtstrahlen treffen dann auf einer innenverspiegelten Teilkugelfläche 126 auf und werden nacheinander durch die Isolatoren 128, 130, 132, 133, 134, 136, 137 zu einer Austrittblende 138 mit 1.1 mm Radius geführt.

Die einzelnen Isolatoren sind wie folgt charakterisiert:
Der Isolator 128 bildet eine Zylinderfläche, die an der Teilkugelfläche 126 mit 0,7 mm Radius abschließt.
Der Isolator 130 bildet eine Kegelfläche, die mit ihrer Spitze am Isolator 124 anliegt und mit der Teilkugelfläche 128 abschließt, also dort ebenfalls einen Radius von 0,7 mm aufweist.
Der Isolator 132 ist als Zylinderfläche mit 3 mm Radius ausgebildet, die am Isolator 130 beginnt und sich bis zu einer die Teilkugelfläche abschließenden Spiegelfläche 140 erstreckt.

In diesem Isolator 132 ist ein Isolator 133 als rechteckiges Prisma mit einer Seitenlänge des Rechtecks von 4 mm ausgebildet, das von der gleichen Länge wie der Isolator 132 ist.

Ein Millimeter vor der Spiegelfläche 140 liegt der Eingang eines weiteren Zylinders 134, in den ein Kegel 136 eingesetzt ist, der mit einem Zylinder 137 mit einem Radius von der Größe der Austrittsblendenöffnung 138, also 1,1 mm Radius, abschließt.

Die einzelnen Größen und Positionen lassen sich auch aus der Fig. 20 entnehmen, die nahezu maßstäblich gezeichnet ist. Die Ausrichtung aller Isolatoren bezüglich Reflexion und Transmission ist so gewählt, daß das Licht immer in Richtung auf die Austrittsblendenöffnung 138 läuft.

Wie man sich durch Einzeichnen einzelner Lichtstrahlen in die Lichtquelle 199 gemäß Fig. 20 überzeugen kann, wird das gesamte Licht der Elektronenquelle gemäß Fig. 19 auf eine kleine Austrittsfläche von nur ungefähr 1 mm Radius gebracht. Wenn man bedenkt, daß ein derartig kleiner Fokus bei thermischen Quellen hoher Leistung praktisch nicht erreichbar ist und die Lichtausbeute der Elektronenquelle gemäß Fig. 19 durch geeignete Auswahl der fluoreszierenden Stoffe, deren Dichte und der Hochspannung für die Beschleunigung der Elektronen durchaus in den zweistelligen Prozentbereich gebracht werden kann, liegt schon gemäß Fig. 20 eine Quelle vor, wie sie bezüglich Lichtausbeute und Quellendurchmesser bisher nicht bekannt ist.

Außerdem ergeben sich die zusätzlichen Vorteile der Steuerbarkeit des Ausgangslichts nach Farbe und Intensität sogar für Hochfrequenz, wie sie bei thermischen Quellen überhaupt nicht möglich ist. Aufgrund der Stabilität der Farben, da diese im wesentlichen nur von der Auswahl geeigneter Fluoreszenzstoffe abhängig ist, ergibt sich auch eine hohe Farbstabilität, die bei thermischen Quellen ebenfalls nicht erreichbar ist, da dort das Spektrum immer von der gerade vorherrschenden Temperatur abhängt.

Thermische Hochleistungsquellen benötigen auch immer teure Transformatoren und Glättungsschaltkreise. Da für eine Elektronenquellen schon einige 100 V ausreichen und man durch den Spitze-Spitzewert der 220 V Netzspannung hinter einem Gleichrichter mit Kondensator schon 600 V erzielt, kann der Aufwand bei der einfachsten Ausführung einer steuerbaren Quelle auch diesbezüglich durch Vorsehen eines Gleichrichters und eventueller weiterer Diodenkaskade verringert werden.

Die Lichtquelle 119 ist den herkömmlichen Quellen also in allen erwünschten Eigenschaften weit überlegen. Wie aus dem aus der Blende 138 austretenden Licht sogar ein hochparalleler Lichtstrahl, vergleichbar einem Laserstrahl, erzeugt werden kann, wird anhand der Fig. 21 nachfolgend noch näher veranschaulicht.

In Fig. 21 ist die gesamte Quelle zweigeteilt dargestellt, damit sie bezüglich ihrer Länge maßstäblich auf einem normalen Zeichenblatt Platz hat. Der obere Teil der Fig. 21 ist daher mit dem in dem unteren Teil der Fig. 21 gezeigten Abschnitt fortzusetzen. Insgesamt ist die Quelle ungefähr 50 cm lang und hat einen Durchmesser von 6,5 cm. Damit nimmt sie weniger Raum ein als irgendein bekanntes Lasersystem, einschließlich Modulatoren, Lasern, dichroitischen Spiegeln usw. für die Laserprojektion.

In der folgenden Beschreibung wird die optische Achse als z-Koordinate definiert. Alle angegebenen Werte von z beziehen sich auf eine Position bezüglich des Isolators 124, der hier als Nullpunkt definiert wird.

Hinter der Austrittsöffnung 138 der Quelle 119 ist zum Parallelisieren des von ihr emittierten Lichts ein Parabolspiegel 142 angeordnet. Man hätte dazu auch eine Linse oder ein Linsensystem nehmen können, ein Parabolspiegel erscheint hier aber geeigneter, da die Lichtstrahlen aus der Blendenöffnung 138 vorwiegend unter großem Winkel austreten, die durch den Parabolspiegel 142 zu nahezu parallelen Lichtstrahlen mit kleinem Abstand zur optischen Achse abgelenkt werden, während diese nach Durchlaufen einer Linse größere Abstände zur optischen Achse 1 haben würden. Die größeren Abstände würden bei der nachfolgenden Verringerung des Strahlproduktes eine höhere Anzahl von Reflexionen erfordern und damit die Ausgangsintensität absenken.

Die Blendenöffnung 138 der Quelle 119 liegt im Brennpunkt des Parabolspiegels 142, der an der Öffnung einen Durchmesser gleich dem Blendendurchmesser von 2,2 mm aufweist und sich bis zur Koordinate z = 5.7 cm erstreckt. Dort ist eine Linse 144 mit einer Brennweite von 1 cm angeordnet, mit der das parallelisierte Lichtbündel auf eine Struktur 146 fokussiert wird, die ähnlich wie das Beispiel von Fig. 16 aufgebaut ist.

In der Struktur 146 ist außen ein Isolator 148 in Form eines qudratischen Prismas mit 6 mm Seitenlänge. des Prismas vorgesehen, in dem sich ein zylindrischer Isolator 150 mit 2 mm Durchmesser befindet. Beide erstrecken sich von den z-Koordinaten 6,5 cm bis 7,1 cm. Bei z = 7.1 cm befindet sich noch eine Spiegelfläche 152, welche die gleiche Funktion wie die Spiegelfläche 110 in Fig. 16 hat. Das Loch in diesem Spiegel hat 2 mm Durchmesser. Mit Hilfe des Parabolspiegels 142 und dieser Struktur 146 wird das aus der Quelle 119 austretende Lichtbündel auf einen definierten Raumwinkelbereich unterhalb von 45° und auf eine definierte Austrittsfläche von 2 mm Durchmesser gebracht. Das Strahlprodukt wird also auch durch die Struktur 146 verbessert.

Das aus dem Loch in dem Spiegel 148 austretende Licht fällt weiter durch eine Blende 153 bei z = 8 cm mit einem Durchmesser von 2 cm. Diese Blende 153 ist ausschließlich zum Abblocken von Streustrahlung vorgesehen, um einen Ausgangsstrahl höchster Reinheit zu erzeugen.

Bei z = 10,31 cm ist nachfolgend eine Fresnellinse 154 mit einer Brennweite von 3,2 cm angeordnet, die das einfallende Licht auf einen Durchmesser von 6,4 cm aufweitet und dabei parallelisiert, damit nachfolgende Kaskaden gemäß dem Beispiel von Fig. 15 das Strahlprodukt wirkungsvoll verringern können.

Für diese Anordnung wurde hinter der Linse ein Strahlprodukt von 0,46 mm rad berechnet, wobei von der anfänglich erzeugten Lichtmenge hinter der Linse 154 noch die Hälfte zur Verfügung steht, wenn für alle Spiegelflächen ein Reflexionsgrad von 0,99 angenommen wird, wie man es heutzutage mit dielektrischen. Spiegeln ohne weiteres standardmäßig erreichen kann.

Wie ausgeführt wurde, ist die in Fig. 21 gezeigte Quelle geteilt dargestellt, wobei der untere Teil die Fortsetzung des oben gezeigten Teils ist. Der Strahl fällt also nach Velassen der Linse 154 in eine zweistufige Kaskade 156 für eine Richtung, gefolgt von einer anderen Kaskade 158 für die andere Richtung, wie sie anhand von Fig. 15 näher beschrieben wurden. Die Positionen z der Größen A, B sowie R gemäß Fig. 15 für diese Kaskaden sind in der Tabelle I im einzelnen aufgeführt, wobei die jeweiligen Bezugszeichen 160, 162, 164 der einzelnen Flächen für die x-Richtung der Fig. 21 entnommen werden können. Die entsprechenden Bezugszeichen für die zur x-Richtung orthogonale y-Richtung sind in der Tabelle I mit 160', 162', 164' bezeichnet.

Der gesamte untere Quellenteil ist mit einem innenverspiegelten Rohr 168 von 6,4 cm Innendurchmesser umgeben, um eventuell aus den Kaskaden 156, 158 ausfallende Lichtstrahlen mit zu großem Winkel in die Kaskade zurück zu reflektieren. Die Kaskaden 156 und 158 schließen an dem Rohr 168 ab. Die Ausgangsspalte der Kaskaden 156 und 158 sind 4 mm breit. Damit und bei einer Gesamtgröße von 6,4 cm wird das Strahlprodukt durch die Kaskaden um einen Faktor 16 verbessert.

Da eine Trennung der Strahlproduktverbesserung in zwei orthogonale Richtungen erfolgt, entsteht aufgrund des endlichen Divergenzwinkels der Lichtbündel allerdings eine elliptische Aufweitung des Strahls, da die Strahlen in x-Richtung einen anderen Weg durchlaufen als in y-Richtung. Dies könnte man beispielsweise mit anamophotischen Linsensystemen zwischen oder hinter den Kaskaden 156 und 158 ausgleichen. Im Beispiel wird jedoch ein anderer Weg beschritten, mit dem auch das Strahlprodukt weiter verbessert wird:

Mit einer Linse einer Brennweite von 1 cm bei z = 23,6 cm wird auf eine zylindrischen Isolatorfläche 172 mit einem Radius von 0,3 mm fokussiert, die sich von z = 24,6 cm bis z = 24,65 cm erstreckt. Die in Richtung der Linse angeordnete Fläche des Zylinders ist ebenfalls mit einer Isolatorschicht versehen, genau wie die in Fig. 16 gezeigte Isolatorfläche 104. Die Isolatorschicht wird durch einen zur Linse 170 weisenden Lochspiegel 173 abgeschlossen aus dessen Blendenöffnung von 0,6 mm Durchmesser das gesamte in den von der Isolatorfläche umgebenden Raum gelangende Licht ausfällt.

Die Isolatorfläche 172 und der Spiegel 173 bilden eine Struktur, wie sie anhand von Fig. 16 näher beschrieben wurde.

Zum Abblocken von Streustrahlen ist weiter bei z = 23 cm eine Blende 174 mit einem Radius von 1,6 cm vorgesehen. Die durch die Blende fallenden Strahlen werden dann wieder durch eine Linse 176 bei z = 32,65 cm mit 8 cm Brennweite parallelisiert und anschließend durch zwei weitere Kaskaden 178 und 180, nun im Gegensatz zur vorherigen Kaskadierung erst in y-Richtung und dann in x-Richtung, zur Verringerung des Strahlproduktes geführt. Diese Kaskaden 178 und 180 sind jeweils dreistufig ausgelegt, mit zwei Stufen zur Verbesserung des Strahlproduktes um einen Faktor 4 und einer weiteren anschließenden zur Verringerung um einen Faktor 3. Die Auslegung und Position der Flächen 182, 184, 186, 188 der x- Kaskade 180 sowie die nicht gezeigten Flächen 182', 184', 186', 188' der y-Kaskade 178 sind in der Tabelle II aufgeführt.

Als Ergebnis erhält man am Ausgang ein Strahlprodukt von 0,83 mm mrad wobei am Ende der Quelle von Fig. 21 noch 20% der gesamten Lichtleistung von der in Fig. 19 gezeigten Primärquelle zur Verfügung stehen.

Am Ausgang kann eine weitere Linse vorgesehen werden, mit welcher der so erzeugte hochparallele Strahl beispielsweise zur "Laser"-Videoprojektion verwendet wird. Man kann aber auch mit Hilfe einer Linse in einen Lichtleiter einkoppeln und den Strahl erst nach dem Lichtleiter seiner Bestimmung zuführen. Bei der Einkopplung in den Lichtleiter kann man den Eingang des Kerns mit einer Isolatorschicht gemäß Fig. 16 abdecken, wobei dieser auch getapert sein kann, und vom Ausgang der Kaskade 180 auf dieses Ende fokussieren, wodurch dann noch einmal eine Verbesserung des Strahlproduktes ohne wesentliche Reflexionsverluste möglich wird.

Alle Einsatzmöglichkeiten, zu denen man bisher Laser verwendete, bis auf solche, wo die Interferenzfähigkeit des Lasers, beispielsweise bei der Holographie, gefragt ist, sind auch für eine derartige Quelle gegeben. Die fehlende Kohärenz dieser Lichtquelle bei geeigneter Primärquelle wirkt sich außerordentlich positiv aus, da hier beispielsweise störende Interferenzerscheinungen, wie sie von Lasern als sogenannte "Speckle" bekannt sind, bei der Beleuchtung nicht zu befürchten sind. Bei medizinischen Operationen oder bei der Materialbearbeitung können Speckle in nachteiliger Weise eine ungleichmäßige Leistungsdichte erzeugen, so daß auch eine Quelle, wie sie hier beispielhaft beschrieben wurde, in diesen Bereichen dem üblicherweise eingesetzten Laser überlegen ist.

Weiter ist beim Einsatz der Quelle aufgrund der mit Lasern verglichen kleineren Kohärenzlänge bei tiefenaufgelösten Meßverfahren, wie beispielsweise der optischen Kohärenzthomographie, bei denen die Interferenzfähigkeit eines reflektierten Strahles mit einem Referenzstrahl meßtechnisch erfaßt wird, auch eine verbesserte Tiefeninformation möglich.

Ferner sind die Vorrichtungen und die Kaskaden, wie sie im Rahmen dieser Anmeldung dargestellt wurden, auch zur Strahlproduktverbesserung bei Laserstrahlen einsetzbar, was der Erfindung einen weiteren großen Anwendungsbereich erschließt.

Gegenüber den obigen Beispielen sind verschiedenste Änderungen und Verbesserungen möglich. Insbesondere können die hier beispielhaft genannten Linsen auch komplexere optische Systeme sein, wobei die Positionen der Linsen durch die Hauptebenen gegeben sind und sich die angegebenen Koordinatenwerte entsprechend dem jeweiligen Abstand zwischen den Hauptebenen verschieben. Weiter sind die hier angegebenen Kaskaden mit Isolatoren alle mit einer Neigung der Ebenen von 45° berechnet worden. Auch von diesem Wert kann man in großem Maße abweichen, wodurch sich dann je nach Anwendungsfall breitere Quellen mit verkleinerter Länge oder umgekehrt schaffen lassen. Mit höherem Aufwand bei der dielektrischen Verspiegelung lassen sich auch statt der hier beispielhaft durchgehend angenommenen Reflexionsgrade von 0,99 auch verbesserte Reflexionsgrade und damit noch höhere Lichtausbeuten am Ausgang einer derartigen Quelle erzielen.

Tabelle I

Tabelle II

Claims (16)

1. Vorrichtung zur Verbesserung des Strahlproduktes eines einfallenden Stammlichtbündels (3) oder eines Stammlichtfächers (3, 3') mit einer Blendenöffnung (2), die nur ein Ausgangslichtbündel oder einen Ausgangslichtfächer (3") mit verringertem Strahlprodukt durchläßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Blendenöffnung (2) von einer ersten Spiegelfläche (6; 62) umgeben oder in einer ersten Spiegelfläche (6; 62) ausgebildet ist und ein optisches System (6; 15, 20, 22, 30, 32, 24, 26) vorgesehen ist, zu dem die Spiegelfläche (6; 62) das nicht durch die Blendenöffnung (2) fallende Licht des Stammlichtbündels oder des Stammlichtfächers (3, 3') reflektiert, und dieses optische System (6; 15, 20, 22, 30, 32, 24, 26) dieses Licht wieder in das einfallende Stammlichtbündel (3) oder den Stammlichtfächer (3, 3') verändert, insbesondere mit einem anderen Winkel, verschoben zu diesem und/oder vergrößert oder verkleinert, einleitet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System (6; 15, 20, 22, 30, 32, 24, 26) eine dielektrische zweite Spiegelfläche einer Dicke aufweist, durch die das Stammlichtbündel (3) oder der Stammlichtfächer (3, 3') transmittiert, und ferner die dielektrische zweite Spiegelfläche (16) einen Winkel zum von der ersten Spiegelfläche (6; 62) reflektierten und zu der dielektrischen zweiten Spiegelfläche (16) zurückgeführten Lichtbündel aufweist und bei diesem Winkel richtungsgleich zu dem von der dielektrischen zweiten Spiegelfläche (16) durchgelassenen Stammlichtbündel (3) reflektiert wird.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein dielektrisches oder metall/dielektrisches Schichtsystem vorgesehen ist, über welches das Stammlichtbündel (3) oder der Stammlichtfächer (3, 3') in die Vorrichtung eingeleitet wird, wobei das Schichtsystem Lichtbündel in Richtung auf die Vorrichtung transmittiert und Lichtstrahlen innerhalb der Vorrichtung reflektiert.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hohlspiegel (24; 6; 56) oder eine Linse (4; 58) zum Fokussieren eines Lichtbündels (3, 3') auf die Blendenöffnung (2) vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Stammlichtbündel (3) oder der Stammlichtfächer (3, 3') auf einer optischen Achse (1) in einer durch das Strahlprodukt gegebenen Fokalfläche minimaler Ausdehnung fokussiert ist und die erste Spiegelfläche (6; 62) als Hohlspiegel (24; 6; 56) ausgebildet ist, aufgrund dessen eine Fokalfläche des durch das optische System (6; 15, 20, 22, 30, 32, 24, 26) rückgeworfenen Lichts auf der optischen Achse (1) gegenüber der Fokalfläche des fokussierten Stammlichtbündels (3) oder des Stammlichtfächers (3, 3') verschoben ist.

6. Vorrichtung nach einem der beiden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwei fokussierende Hohlspiegel (24; 6; 56) unterschiedlicher Brennweite vorgesehen sind, deren Brennpunkte (35) auf einer gemeinsamen optischen Achse (1) liegen, wobei einer der Hohlspiegel (24; 6; 56) die Blendenöffnung (2) aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Stammlichtbündel (3) oder der Stammlichtfächer (3, 3') auf dieser optischen Achse (1) auf eine Fokalfläche minimaler Ausdehnung fokussiert ist, die zwischen den beiden Brennpunkten (35) liegt und daß der Abstand der beiden Brennpunkte (35) geringer als diese minimale Abmessung der Fokalfläche ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Linse (4; 58) vor dem mit der Blendenöffnung (2) versehenen Hohlspiegel (24; 6; 56) vorgesehen ist und das aus der Linse (4; 58) und dem Hohlspiegel (24; 6; 56) zusammengesetzte System die Blendenöffnung (2) hinter die Spiegelfläche des anderen Hohlspiegels (24; 6; 56) abbildet.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der andere Hohlspiegel (24; 6; 56) das durch den Hohlspiegel (24; 6; 56) und die Linse (4; 58) erzeugte Abbild auf der optischen Achse (1) liegend sowie beabstandet zu dessen Brennpunkt (35) abbildet.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der mit der Blendenöffnung (2) versehene Hohlspiegel (24; 6; 56) konvex ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lichtquelle durch ein sich längs der optischen Achse (1) erstreckendes, insbesondere durch ein Wendel, eine Leuchtdiode oder einen Lichtbogen, gebildetes Leuchtvolumen zur Erzeugung des Stammlichtfächers ausgebildet ist, wobei das Leuchtvolumen oder ein Spiegelbild von diesem in einem Raumbereich liegt, in dem auch der Fokus mindestens eines der beiden Brennpunkte (35) der Hohlspiegel (24; 6; 56) liegt.

12. Kaskade von Vorrichtungen nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine jede bis auf die letzte der Vorrichtungen ein Lichtbündel (3) in die nachfolgende emittiert.

13. Kaskade von Vorrichtungen nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen mindestens zweien der Vorrichtungen ein optisches System zur Anpassung der Ein- und Ausfallsbedingungen dieser Vorrichtungen des Lichtbündels vorgesehen ist.

14. Kaskade von Vorrichtungen nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Vorrichtung fokussierend und die letzte Vorrichtung parallelisierend ausgebildet ist.

15. Kaskade von Vorrichtungen nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein gemeinsamer Spiegel mit Blendenöffnung (2) für alle Vorrichtungen der Kaskade vorgesehen ist und die einzelnen Vorrichtungen weiter jeweils ein dielektrisches oder metall/dielektrische Schichtsystem aufweisen, durch welches das jeweilige Stammlichtbündel (39) oder der Stammlichtfächer (3, 3') in die jeweilige Vorrichtung einfällt und nach Mehrfachreflexion zu dem Schichtsystem der nachfolgenden Vorrichtung oder der Blende (2) geführt ist.

16. Kaskade von Vorrichtungen nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß eine Stufe der Kaskade für eine Strahlproduktverbesserung mit einem Faktor zwischen 1/2 und 1/10, insbesondere aber 1/2 und 1/4, ausgebildet ist.