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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein optisches Abbildungssystem
zum optischen Abbilden eines Objekts an einem Eingang zu einem Objekt
an einem Ausgang.
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Optische
Abbildungssysteme sind in der Technik wohl bekannt und können angewendet
werden zum Darstellen einer Eingangsabbildung zu einer Ausgangsabbildung
im Wesentlichen mit oder ohne Ändern
der Eigenschaften der Eingangsabbildung. Eine typische Anwendung,
bei der die Eigenschaften der Eingangsabbildung durch das optische Abbildungssystem
geändert
werden sollen, ist ein optischer Attenuator.
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Optische
Attenuatoren sind z. B. bekannt aus DE-A-3613688 oder GB-A-2074339. EP-A-557542 beschreibt
einen optischen Attenuator wie in 1 gezeigt.
Der Attenuator wird zwischen zwei optischen Fasern 1 und 2 eingefügt. Ein
Lichtbündel 3,
welches die Faser 1 verlässt, wird durch eine Linse 4 konvergiert
in einen Strahl von parallelem Licht 5, welcher auf eine
Attenuatorscheibe 6 trifft. Die Attenuatorscheibe 6 weist
zwei Teile 25 und 28 auf, die aneinander geklebt
sind, so dass sie eine Scheibe mit rechteckigem Querschnitt bilden.
Nach Übertragen durch
die Scheibe 6 trifft der abgeschwächte Lichtstrahl 7 auf
einen Eckwürfel 8,
welcher das einfallende Licht in dieselbe Richtung reflektiert,
aus der es kam, aber mit einem parallelem Offset. Daher wird der
Strahl, der von dem Eckwürfel 8 reflektiert
wurde, erneut durch die Scheibe 6 überfragen, aber an einer etwas
anderen Position als bei der ersten Übertragung.
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Der
Zweck des doppelten Übertragens
des Lichts durch die Attenuatorscheibe 6 ist, Strahlabweichungen,
welche durch Brechungsindexunterschiede und schrägen Lichteinfall verursacht
werden, zu kompensieren. Nach der zweiten Übertragung durch die Scheibe 6 trifft der
Strahl 9 auf ein Prisma 10, welches den Strahl
zwei Mal reflektiert in 90 Grad Winkeln, so dass der ausgehende
Strahl 11 einen parallelen Offset hat in Bezug auf den
Strahl 9, der die Attenuatorscheibe 6 verlässt. Der
ausgehende Strahl 11 wird dann durch eine Linse 12 in
die Faser 2 fokussiert. Die Scheibe 6 ist um eine
Achse 13 mittels eines Motors 14 rotierbar in
Antwort auf Kontrollsignale von einem Kontrollschaltkreis 20.
Die Anpassung verschiedener Abschwächungsfaktoren wird erreicht durch
Anpassen verschiedener Winkelausrichtungen der Scheibe 6.
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Die
Attenuatorscheibe 6 weist einen Teil 28 auf, welcher
aus einem lichtabsorbierenden Material gefertigt ist, und einem
Teil 25, welcher im Wesentlichen für das auf ihn treffende Licht
transparent ist. Diese Teile sind keilförmig und aneinander fixiert,
so dass die daraus resultierende Scheibe 6 einen rechtwinkligen
Querschnitt hat. Die Dicke der Keile, in Kombination, bleibt konstant
in einer Richtung, welche zu der Ebene des Papiers in 1 senkrecht ist. Die Strahlen 5 und 9,
welche auf den lichtabsorbierenden Keil von links oder von rechts
treffen (nach Reflektion durch den Eckwürfel 8) durchqueren
diesselbe Distanz innerhalb dem lichtabsorbierenden Keil. Da die
Dicke des lichtabsorbierenden Teils der Scheibe 6, welche
der Strahl 5 passiert, von der Winkelausrichtung der Scheibe 6 abhängt, kann
die Abschwächung
des Strahls 5 kontinuierlich variiert werden durch Rotieren
der Scheibe um die Achse 13. Der Motor 14 kann
mit einem Positionskodierer ausgerüstet sein, welcher die Winkelposition
der Attenuatorschreibe 6 angibt.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten
optischen Attenuator, vor allem im Hinblick auf Kosten, zur Verfügung zu
stellen. Die Aufgabe wird gelöst
durch die unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte
Ausführungen
werden durch die abhängigen
Ansprüche
gezeigt.
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Die
Erfindung liefert ein verbessertes optisches Abbildungs-oder Darstellungssystem
zum Darstellen eines Objekts an einer Eingabequelle zu einem Objekt
an einem Ausgang. Das optische Abbildungssystem der vorliegenden
Erfindung weist eine Quelle auf, welche angepasst ist zum Emittieren
eines divergierenden optischen Strahls an eine Linse, eine Reflektionsvorrichtung
(wie ein Spiegel), welche angepasst ist zum Reflektieren eines parallelen Strahls
von der Linse zurück
zu der Linse, und einen Ausgang, welcher angepasst ist zum Empfangen
eines konvergierenden Strahls von der Linse. Die Quelle und der
Ausgang befinden sich beide im Wesentlichen in der Fokalebene der
Linse und außerhalb
der Achse, in Bezug auf die optische Achse der Linse, auf gegenüberliegenden
Seiten von der optischen Achse der Linse. Die Reflektionsvorrichtung befindet
sich auf der gegenüberliegenden
Seite der Quelle und des Ausgangs in Bezug auf die Hauptebene der
Linse und ist so angeordnet, dass ein Strahl von der Quelle an den
Ausgang gerichtet wird.
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Auf
Grund der Lage der Quelle außerhalb der
Achse und da der Strahl mit höchster
Intensität von
der Quelle nicht durch das Zentrum der Linse gelenkt wird, richtet
die Linse den divergierenden Lichtstrahl von der Quelle an eine
parallele Strahlschräge in
Bezug auf die optische Achse aus. Die Reflektionsvorrichtung reflektiert
diesen schrägen
aber parallelen Strahl zurück
zu der Linse. In dieser umgekehrten Richtung wird die optische Strahlung
fokussiert an den Ausgang. Die Position (d. h. Distanz von der Linse
und dem Winkel weg mit der Hauptebene der Linse) der Reflektionsvorrichtung
wird vorzugsweise ausgesucht zum Erreichen eines niedriegen Eingabeverlustes
zum Koppeln optischer Strahlung von der Quelle an den Ausgang.
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Es
wird gewürdigt,
dass während
das optische Abbildungssystem der 1 zwei
Linsen aufweist (4 und 12), das optische Abbildungssystem
der vorliegenden Erfindung so konzipiert ist, dass nur eine Linse
benötigt
wird, und der optische Strahl zwei Mal durch das Linsensystem läuft. Daher
erfordert das optische Abbildungssystem der vorliegenden Erfindung weniger
Komponenten und Anpassungsanstrengung als das optische Abbildungssystem,
welches für
den Attenuator der 1 angewendet
wird, und ist daher günstiger
und einfacher herzustellen und anzupassen.
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In
einer vorteilhaften Ausführung
ist die Ebene der Reflektionsvorrichtung im Wesentlichen parallel
mit der Hauptebene der Linse. Jedoch ist klar, dass Neigen (d. h.
Vorsehen eines Winkels zwischen der Ebene der Reflektionsvorrichtung
und der Hauptebene der Linse) der Reflektionsvorrichtung verwendet
wird/erforderlich sein kann zum Kompensieren einer Differenz in
der Lage außerhalb
der Achse zwischen der Quelle und dem Ausgang und vice versa.
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In
einer anderen Ausführung
kreuzt die Ebene der Reflektionsvorrichtung im Wesentlichen die optische
Achse der Linse an dem Kreuzungspunkt der optischen Achse der Linse
mit dem Strahl der höchsten
Intensität
von der Quelle nach Passieren der Linse. Daher kann ein niedriger
Eingabeverlust erreicht werden.
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Ein
weiterer Grad an Freiheit für
das Design des Abbildungssystems ist der Strahlungswinkel (vorzugsweise
von dem Strahl mit höchster
Intensität)
von der Quelle. Erhöhen
des Winkels, der mit der optischen Achse der Linse vorgesehen ist,
erfordert, dass die Reflektionsvorrichtung weiter von der Linse weg
zu positionieren ist. Daher kann die Längsdimension des Systems angepasst
werden, wie es z. B. für
das Einfügen
von Komponenten in den Strahl erforderlich sein kann.
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Klar
ist, dass die optisch einfachste Anordnung zum Darstellen gemäß der Erfindung
in diesem Fall ist, dass:
- – die Quelle und die Ausgabe
beide außerhalb
der Achse in der Fokalebene der Linse liegen, wobei der Strahl mit
der höchsten
Intensität
von der Quelle an die Linse gelenkt wird, aber nicht durch das Zentrum
der Linse;
- – die
Ebene der Reflektionsvorrichtung im Wesentlichen parallel ist mit
der Hauptebene der Linse und nur leicht geneigt werden könnte zum Kompensieren
einer (leichten) Abweichung in den Distanzen der Quelle und des
Ausgangs von der optischen Achse der Linse; und
- – die
Ebene der Reflektionsvorrichtung im Wesentlichen die optische Achse
der Linse an dem Krezungspunkt der optischen Achse der Linse mit dem
Strahl von höchster
Intensität
von der Quelle kreuzt, nach Passieren der Linse.
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Klar
ist jedoch, dass Abweichungen von diesem ,einfachsten' Design die optische
Komplexität des
System erhöhen
können,
aber für
spezifische Applikationen wünschenwert
sein können.
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In
einer vorteilhaften Ausführung
stellen die Faserenden jeweils die Quelle und den Ausgang dar. Die
Eingangs- und Ausgangsfaserenden, welche Licht in Richtung des optischen
Attenuators emittieren oder daher Licht empfangen, liegen vorzugsweise
beide in der Fokalebene der Linse. Die Position der Eingangsfaser
und der Ausgangsfaser sind beide außerhalb der Achse, wobei vorzugsweise
beide diesselbe Distanz weg (offset) von der Achse sind. Die Eingangs-
und Ausgangsfaser liegen vorzugsweise sehr nah beieinander und sind
vorzugsweise in eine Haltevorrichtung geklebt. Durch Vorsehen der Faserenden
angewinkelt, kann der Strahlungswinkel des Zentralstrahls (mit höchster Intensität) und daher die
Distanz zwischen der Linse und der Reflektionsvorrichtung angepasst
werden.
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Innerhalb
des optischen Abbildungssystems der vorliegenden Erfindung können verschiedene Komponenten
(so wie jede Art von abschwächendem Filter
wie nach Stand der Technik bekannt wie die abschwächenden
Filter, die EP-A-557542 beschreibt) verwendet werden zum Modifizieren
der Eigenschaften des Ausgabestrahls in Bezug auf die Eigenschaften
des Eingangsstrahls des Systems. Die Komponente(n) wird/werden vorzugsweise
zwischen der Linse und der Reflektionsvorrichtung eingefügt, wobei
die Komponente(n) so angeordnet werden kann/können, dass der Strahl ein oder
zwei Mal durch die Komponente(n) läuft, oder, anders ausgedrückt, dass
entweder nur der parallele Strahl zu oder von der Reflektionsvorrichtung
oder beide die jeweilige(n) Komponente(n) passieren.
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Die
Eingabe- und Ausgabefaserenden können
gerade sein oder angewinkelt und können vorgesehen werden z. B.
durch Verwenden von Polier- oder Spalttechniken. Angewinkelte Faserenden
können
verwendet werden zum Erreichen niedriger Rückreflektionen (hoher Verlust
durch Rückreflektion)
wie z. B. beschrieben in EP-A-1059543 der Anmelderin.
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Zwischen
der Linse und der Reflektionsvorrichtung kann ein optionaler Polarisationsrotator
(wie z. B. beschrieben durch Donald K. Wilson in „Optical isolators
cut feedback in visible and near-IR lasers, Laser Focus/Electro-Optics,
Dec. 1988, pp. 103 ff,) da sein zum Reduzieren der polarisationsabhängigen Abschwächung z.
B. resultierend von einer eingefügten
Komponente wie einem Filter. Vorzugsweise ist der Polarisationsrotator
ein optischer Faraday-Rotator mit 45 Grad Polarisationsrotation.
In diesem Fall gehen der optisch nach vorwärts gerichtete Strahl und der
rückwärts gerichtete
Strahl durch den Faraday-Rotator
und die gesamte Polarisationsrotation ist 2 × 45° = 90°. Durch den resultierenden polarisationsabhängigen Verlust
PDL (polarisation dependent loss) = 0, wird die optische Polarisierungsachse
jedes elliptischen (oder linearen) Polarisationsstatus des rückwärts gerichteten
Strahls 90 Grad rotiert in Bezug auf die optische Polarisationsachse jedes
elliptischen (oder linearen) Polarisationsstatus des vorwärts gerichteten
Strahls. Auf Grund des zweimaligen Passierens durch den optischen
Filter mit einer Polarisationsrotation von 90 Grad zwischen dem
vorwärts
und dem rückwärts gerichteten
Strahl, wird das Mittel gebildet des polarisationsabhängigen Verlustes.
Das Ergebnis ist eine polarisationsabhängige Abschwächung des
kompletten optischen Systems nach der Erfindung.
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Die
Reflektionsvorrichtung ist vozugsweise so gestaltet, ein Maximum
an Reflektion und einen niedrigen Eingabeverlust zu liefern. Für Wellenlängen in
dem nahen Infrarotspektrum, z. B. um 1550 nm, ist die Reflektionsvorrichtung
vorzugsweise als Gold beschichteter Spiegel vorgesehen. Entsprechend
muss für
andere Wellenlängen
ein Spiegel mit maximaler Reflektion vorgesehen werden.
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Das
optische System nach der Erfindung kann daher konzipiert werden,
keine oder lediglich reduzierte polarisationsabhängige Abschwächung zu liefern,
insbesondere in Bezug auf die Ausführung der 1. Darüber hinaus ist das optische
System nach der Erfindung günstiger
als z. B. das System der 1,
da weniger Material erforderlich ist (z. B. nur eine Linse statt
zwei). Zusätzlich
kann die Anpassungsanstrengung bedeutend reduziert werden, wenn
z. B. die Eingabe- und Ausgabefasern zusammen angepasst werden.
Dazu kann durch das Doppelpass-Design eine kompakte Größe des kompletten
optischen Systems erreicht werden.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Andere
Aufgaben und viele der begleitenden Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden im Folgenden gewürdigt
und besser verständlich
durch Hinzuziehen der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung
mit den begleitenden Zeichnungen. Merkmale, die im Wesentlichen
oder funktional gleich oder ähnlich
sind werden mit denselben Referenzzeichen bezeichnet.
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1 zeigt einen optischen
Attenuator nach Stand der Technik, und
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2 und 3 zeigen Ausführungen eines optischen Attenuators 100 nach
der Erfindung
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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2 zeigt eine erste Ausführung eines
optischen Attenuators 100 nach der Erfindung mit einer Linse 110,
einem optischen Spiegel 120 und einem optischen abschwächenden
Filter 130 dazwischen. P kennzeichnet die Hauptebene, F
die Fokalebene und O die optische Achse der Linse 110.
Die Eingabefaser 1 und die Ausgabefaser 2 liegen
beide außerhalb der
Achse, vorzugsweise mit derselben Distanz (offset) d weg von der
optischen Achse O. Darüber
hinaus liegen die Enden der Eingabefaser 1 und der Ausgabefaser 2 vorzugsweise
beide im Wesentlichen in der Fokalebene F.
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Wenn
die Enden der Eingabefaser 1 und der Ausgabefaser 2 nicht
außerhalb
der Achse liegen mit derselben Distanz von der Achse, ist der Spiegel 120 um
einen Winkel Δα (wie in 2 dargestellt) in Bezug
auf die Hauptebene P zu neigen. Das Faserende 2 wird um
eine Betrag Δy
abhängig
von dem Winkel Δα und der
Fokallänge
f verschoben: Δy
= f*tan(2*Δα).
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Das
Lichtbündel 3,
welches die Faser 1 verlässt, wird durch die Linse 110 zu
einem parallelen vorwärts
gerichteten Strahl 135 ausgerichtet. Auf Grund der Lage
der Eingabefaser 1 außerhalb
der Achse, ist der vorwärts
gerichtete Strahl 135 in Bezug auf die optische Achse O
schräg.
Der vorwärts
gerichtete Strahl 135 wird an dem optischen Spiegel 120 reflektiert,
welcher im Wesentlichen als parallel zu der Hauptebene P der Linse 110 vorgesehen
ist, in einen rückwärts gerichteten
Strahl 140, der zurückläuft in Richtung
der Linse 110. Die optische Linse 110 fokussiert
den rückwärts gerichteten
Strahl 140 zurück
als ein konvergierender Strahl 145 in die Ausgabefaser 2.
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Es
ist klar, dass nur wenn sich die Enden der Eingabefaser 1 und
der Ausgabefaser 2 in der Fokalebene F befinden, der vorwärts gerichtete
Strahl 135 voll parallel sein wird. Auch wenn ein gewisser Nicht-Parallelismus des
vorwärts
gerichteten Strahls für
die meisten Applikationen akzeptabel ist, sollte die Abweichung
von der Fokalebene F vorzugsweise kleiner sein als ungefähr 5% (vorzugsweise
um 2%) der Fokallänge
f. Andernfalls wird die optische Anordnung zunehmend kompliziert.
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Da
der optische abschwächende
Filter 130 zwischen der Linse 110 und dem optischen
Spiegel 120 liegt, passiert sowohl der vorwärts gerichtete Strahl 135 wie
der rückwärts gerichtete
Strahl 140 dadurch, so dass beide Strahlen 135 und 140 abgeschwächt werden
können.
Der abschwächende
Filter 130 kann jedes abschwächende Mittel wie nach Stand
der Technik aufweisen, so wie die Attenuatorscheibe 6 wie
detailliert beschrieben in EP-A-557542.
Der optische abschwächende
Filter 130 kann rotierbar vorgesehen sein, vorzugsweise um
die optische Achse O, oder fixiert. Statt Ändern des Abschwächungsgrades
durch Rotieren eines abschwächenden
Filters wie in EP-A-557542 beschrieben, kann ein längsgerichteter
abschwächender
Filter angewendet werden, wobei der Abschwächungsgrad variiert ist durch
Bewegen des optischen abschwächenden
Filters 130 parallel zu der Hauptebene P der Linse 110.
Abschwächen
des Filters mit abschwächender
Beschichtung auf einem Substrat (z. B. Metallic-Beschichtung) kann
entsprechend angewendet werden.
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Zwischen
dem optischen abschwächendem Filter 130 und
dem optischen Spiegel 120 kann ein zusätzlicher Polarisatonsrotator 150 vorgesehen
sein zum Reduzieren der polarisationsabhängigen Abschwächung des
optischen Attenuators 100. Vorzugsweise ist der Polarisationsrotator 150 ein
optischer Faraday Rotator (wie z. B. beschrieben in EP-A-352002)
mit 45° Polarisationsrotation,
so dass die gesamte Polarisationsrotation 2 × 45° = 90° ist.
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3 zeigt eine zweite Ausführung des
optischen Attenuators 100 nach der Erfindung, welche im Wesentlichen
der Ausführung
der 2 entspricht. Die
Eingabefaser 1 und die Ausgabefaser 2 sind jedoch
mit angewinkelten Faserenden 200 und 210 versehen.
Der Winkel der Faserenden bestimmt den Strahlungswinkel des zentralen
Strahls (normalerweise der Strahl mit höchster Intensität – dargestellt in 2 und 3 durch eine gestrichelte zentrale Linie in
den Lichtpfaden) und daher die Distanz zwischen der Linse 110 und
dem Spiegel 120. Erhöhen
des Strahlungswinkels erhöht
auch die Distanz zwischen der Linse 110 und dem Spiegel 120,
was es erlaubt, mehr Platz zu erlangen zum Einfügen von Komponenten zwischen
der Linse 110 und dem Spiegel 120. Klar ist, dass
der Winkel des Faserendes 210 dem Winkel des Faserendes 200 entgegengesetzt
sein muss, wie in 3 dargestellt.
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In
einer vorteilhaften Ausführung
sind die Eingabefaser 1 und die Ausgabefaser 2 direkt
aneinander gekoppelt, wobei eine Oberfläche 230, an der Eingabefaser 1 und
die Ausgabefaser 2 miteinander verbunden werden, sich im
Wesentlichen innerhalb der optischen Achse O befindet.
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Die
Faserenden 200 und 210 sind vorzugsweise in Richtung
der anderen angewinkelt wie aus 3 ersichtlich
ist. Vorzugsweise sind die Faserenden 200 und 210 in
Bezug auf die optische Achse O in einem Bereich, der kleiner ist
als ungefähr
10°, angewinkelt
und vozugsweise um 8°.