EP1110119A1

EP1110119A1 - Vorrichtung zur verbesserung des strahlproduktes

Info

Publication number: EP1110119A1
Application number: EP99946045A
Authority: EP
Inventors: Holger Frenzel
Original assignee: Carl Zeiss Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 1998-09-07
Filing date: 1999-08-27
Publication date: 2001-06-27
Also published as: WO2000014588A1

Abstract

Bei einer Vorrichtung zur Verbesserung des Strahlproduktes eines einfallenden Stammlichtbündels (3) oder eines Stammlichtfächers (3') mit einer Blendenöffnung (2), die nur ein Ausgangslichtbündel oder einen Ausgangslichtfächer (3'') mit verringertem Strahlprodukt durchläßt, ist die Blendenöffnung (2) von einer ersten Spiegelfläche umgeben oder in einer ersten Spiegelfläche (6; 62; 97) ausgebildet und ein optisches System (20, 16) ist vorgesehen, zu dem die Spiegelfläche (6; 62; 97) das nicht durch die Blendenöffnung (2) fallende Licht des Stammlichtbündels (3) oder des Stammlichtfächers (3') reflektiert, und dieses optische System (20, 16) leitet dieses Licht wieder in das einfallende Stammlichtbündel (3) oder den Stammlichtfächer (3'), insbesondere mit einem anderen Winkel, verschoben zu diesem und/oder vergrößert oder verkleinert, ein.

Description

Vorrichtung zur Verbesserung des Strahlproduktes

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Verbesserung des Strahlproduktes eines Stammlichtbundels oder eines Stammlichtfachers mit einer Blende, die nur ein Ausgangslichtbundel oder einen Ausgangslichtfächer mit verringertem Strahlprodukt durchläßt Weiter bezieht sich die Erfindung auf Kaskaden dieser Vorrichtungen Als Ergebnis der Erfindung ergeben sich auch weitere Einsatzmoglichkeiten von Teilen der Vorrichtung als optischer Isolator

Ein Grundsatz der Optik sagt aus, daß ein üchtbundel 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 Lichtbundels 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 nach herrschender Meinung nicht wesentlich verringert werden

Schon wegen der immer gegebenen raumlichen Ausdehnung, beispielsweise eines Lichtbogens oder einer Leuchtwendel, bei der Erzeugung von Licht einer herkömmlichen Lichtquelle kann deswegen das erzeugte Licht nicht auf einen beliebig kleinen Fleck fokussiert werden Insbesondere kann auch kein beliebig paralleles Lichtbundel, das man aus einem auf einen Punkt fokussierten Lichtbundel, beispielsweise mittels eines Hohlspiegels mit diesem Punkt als Brennpunkt gewinnen konnte, erzeugt werden

Für hochparallele Lichtbundel 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 Lichtbundel bzw ein Teillichtbundel geeigneten dazugehörigen Durchmessers aus einem erzeugten Lichtbundel separiert, das dann zur weiteren Strahlformung eingesetzt wird

Bei extrem kleinen Blenden hatte dies den Nachteil, daß ein Großteil der erzeugten Leistung verlorenginge, was einen großen Kuhlaufwand erfordern wurde 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, wurde man wegen des Quadrats des Durchmessers bei der Leistung nur ein Millionstel der ursprünglichen Lichtleistung ausnutzen können

Der Bedarf an hochparallelen Lichtbundeln 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 Laserlichtbundel auf einem Schirm schnell gerastert und Farbe sowie Intensität des Lichtbundels entsprechend der Bildpunktmformation eines Videobildes synchron mit dem Auftreffort des Lichtbundels auf dem Schirm geändert Bei dieser Anwendung werden bisher ausschließlich Laser eingesetzt, weil diese als einzige die erforderliche hohe Parallelität aufweisen Bei den dort auftretenden kohärenten Lichtstrahlen entstehen jedoch Interferenzeffekte, die im Videobild als glitzernde Flecken erscheinen und, weil als äußerst störend empfunden, 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 Kippspiegelmatnxen 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 bestimmte Richtung zum Abbilden geschaltet oder in eine dazu geneigte 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 Lichtbundel 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, bei der das Bild auf LCD Matπxen dargestellt wird Hier kann man die LCD schon aus Kostengrunden auch nicht beliebig groß machen, so daß hier für größere projizierte Bilder ebenfalls ein höheres Strahlprodukt erreicht werden mußte

Herkömmliche Lichtquellen reichen dafür, wenn nur eine geringe Bildschirmdiagonale in der Größenordnung von Metern erwünscht ist, aus Bei Großprojektion, wie im Kino oder sogar in Planetanenkuppeln, liefern aber übliche Lichtquellen nur ein ungenügendes Strahlprodukt, so daß es höchst wünschenswert ist, eine Einrichtung zur Verfugung zu haben, mit 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 Stammlichtbundels oder des Stammlichtfachers reflektiert, und dieses optische System dieses Licht wieder in das einfallende Stammlichtbundel oder den Stammlichtfacher 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 Lichtbundel oder von einem geringen Volumen in alle möglichen Richtungen ausgehendes Lichtbündel verstanden, während sich der Ausdruck Lichtbundel auf ein im wesentlichen paralleles Lichtbundel 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 usw zu idealisiert sind, weil sie im allgemeinen von einem unrealistischen Strahlprodukt der Größe Null ausgehen, und diese idealisierte Bedeutung hier zu Mißverständnissen fuhren konnte, wird im folgenden von einem Lichtbundel oder Lichtfächer gesprochen Wenn man ferner üblicherweise sagt, daß ein Lichtbundel 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 ^'Lichtbundel 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 Ausgangslichtbundel 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 Verfugung, um wieder einen Teil mit geeignetem Strahlprodukt zu separieren, der dem

Ausgangslichtbundel oder Ausgangslichtfächer hinzugefugt wird Dies wird durch das angegebene optische System geleistet, welches das restliche Lichtbundel oder den Lichtfächer wieder zur Blende fuhrt, wo dann erneut ein geeigneter Lichtanteil separiert werden kann Voraussetzung für eine hohe

Leistung ist allerdings eine Veränderung des Lichtbundels, 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 gefuhrt, usw Durch diesen sich wiederholenden Prozeß könnte nahezu die gesamte Lichtintensität durch die Blende gefuhrt werden, abgesehen von Reflexionsverlusten und Anteilen in sehr großen 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 Teillichtbundel aufgefaßt werden kann, von dem jedes die gleiche Winkeldivergenz aufweist, dem jedoch jeweils ein kleineres Strahlprodukt zukommt Durch richtungsgleiches Ineinanderführen dieser als Beispiel angedachten Teillichtbundel wurde man eine höhere Intensität erhalten

Man könnte beispielsweise entsprechende Teillichtbundel bestimmten Durchmessers auch aus einem Strahlenbundel größeren Durchmessers separieren und direkt über ein ähnliches optisches System, also ohne ein Restbundel zurückzuführen, zusammenfuhren Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung ist demgegenüber jedoch wesentlich einfacher

Dieselbe Blende wird zum Ausfiltem desselben Strahlproduktes immer wieder verwendet Man benotigt nur ein einziges optisches System zum Zusammenfuhren der Teillichtbundel verschiedener Teilstrahlen, wobei die erfindungsgemäße Veränderung beispielsweise ausschließlich eine räumliche Verschiebung der Teilstrahlen beinhalten mußte, um die Teilstrahlen zur Deckung zu bringen Dies wird aus den nachfolgenden Ausfuhrungsbeispielen deutlicher werden

Zum Zusammenfugen verschiedener Teillichtbundel wird also nur ein einziges optisches System verwendet, während das direkte Zusammenfuhren verschiedener Teillichtbundel ein optisches System für jedes Teillichtbundel erforderlich machen wurde Ein einziges System gegenüber einer Kombination aus mehreren Systemen vereinfacht auch die Justierung zum nchtungsgleichen Zusammenfassen der Teillichtbundel geringeren Durchmessers aber gleicher Divergenz wesentlich

Die Justierung ist aber gegenüber dem anderen Ansatz, mehrere optische Systeme zum richtungsgleichen Zusammenfuhren mehrerer Teillichtbundel einzusetzen, auch unkritischer Denn wurde von der Blende, zum Beispiel aufgrund einer Fehljustierung, ein geringerer Anteil herausgefiltert als es 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 Lichtbundels oder Lichtfächers doch dem ausgehenden Lichtbundel oder Lichtfächer zuzufügen

Natürlich kann bei der vorliegenden Erfindung auch nicht die gesamte Leistung des eingehenden Lichtbundels oder Lichtfächers in den Ausgang überfuhrt werden Der erzeugbare Anteil ist aber durchaus ausreichend, wie anhand eines Zahlenbeispiels verdeutlicht werden soll Der bestimmende Faktor für die Verluste ist dabei unter anderem der Reflexionsgrad des die Blende umgebenden Spiegels Bei einem Reflexionsgrad von angenommen 95% werden die letzten reflektierten Teillichtbundel erst nach dreizehnmaligem Umlauf ungefähr 50 % ihrer Energie verloren haben Dieses Rechnung zeigt, daß man mit dieser Technik beim Beispiel das Zerlegen eines nahezu parallelen Lichtbundels in Teillichtbundel kleineren Durchmessers und deren Zusammenfuhrung mindestens zehnmal durchfuhren kann, was zur Beleuchtung der eingangs genannten Kippspiegelmatπx durchaus ausreichend sein sollte Wie später anhand von Ausfuhrungsbeispieien gezeigt wird, sind durch andere Veränderungen des reflektierten Lichtbundels 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 Lichtbundel 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 Lichtbundel über einen sogenannten optischen Isolator eingekoppelt wird, so daß das durch das Spiegelsystem eventuell von der Umgebung der Blende ruckgeworfene Licht bei Spiegelung zurück in den Eingangsbereich, also wieder zurück zu denjenigen Spiegeln, die Stammlicht und das von der Blendenumgebung zuruckreflektierte Licht vereinigen, geworfen wird Ferner sind Strahlteller bekannt, die hier in umgekehrter Lichtrichtung zum Vereinigen eingesetzt werden können Bei Polaπsationsstrahlteilem sind dann jedoch auch Einrichtungen zum Andern der Polarisation, wie λ/4 Platten, erforderlich, die den zu vereinigenden Lichtbundeln oder Lichtfächern jeweils die geeignete Polarisation aufprägen Bei kohärenten Lichtstrahlen lassen sich zum Zusammenfugen des zuruckreflektierten Teillichtbundels mit dem Stammlichtbundel ferner auch Hologramme und binäre Optiken einsetzen

Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist eine optische Einrichtung vorgesehen, mit der Licht aus einer Lichtquelle eingekoppelt wird, wobei diese Struktur in einer Richtung eine Transmission größer als 50% und einen Reflexionsgrad kleiner als 50% aufweist und in entgegengesetzter Richtung eine Transmission kleiner als 50% und einen Reflexionsgrad größer als 50% aufweist

Mit Hilfe einer derartigen Struktur werden auch Lichtstrahlen, die durch die Spiegelfläche zurück zu der Lichtquelle reflektiert werden, dort nicht absorbiert sondern auf die Spiegelfläche zuruckreflektiert Dagegen läßt sich das Licht aufgrund der hohen Transmission in Gegenrichtung von der Lichtquelle aus effektiv einkoppeln Derartige Strukturen werden später noch anhand von Ausfuhrungsbeispieien näher erläutert Derartige Strukturen sind beispielsweise aus der Lasertechnik bekannt und werden dort mit dem

Ausdruck „optischer Isolator" bezeichnet Diese arbeiten üblicherweise aufgrund des magnetooptischen Effekts, bei dem eine Polansationsänderung stattfindet, so daß ein hin- von einem herlaufenden Strahl auf optische Weise unterschieden werden kann Dabei wird ein Strahl definierter Polarisation in eine Richtung durchgelassen, der Strahl geänderter Polarisation ein entgegengesetzt zur vorhergehenden Richtung ausfallender Strahl jedoch in einem Strahlteiler ausgeblendet Dort wird er üblicherweise absorbiert Hier kann man statt eines Absorbers auch einen Spiegel anbringen, der das zurücklaufende Licht wieder in die Struktur reflektiert Dann hätte man eine optische Struktur zur Verfugung, bei der das Licht in eine Richtung voll transmittiert wird und in entgegengesetzte Richtung, wenn es nach Spiegeln ohne weitere Polansationsänderung zurückläuft, aufgrund der Polansationsänderung in der Einrichtung voll zuruckreflektiert wird

Bei einer vorzugsweise Weiterbildung der Erfindung wird jedoch eine einfachere Methode verwendet, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die optische Struktur eine Einrichtung mit einem Element ist, welches ein auftreffendes Lichtbundel in mindestens zwei Komponenten aufspaltet, wobei die Aufteilung statistisch erfolgt Aufgrund der Aufteilung in mindestens zwei Komponenten lassen sich diese in Vorwärts- und Ruckwärtsπchtung unterschiedlich behandeln, beispielsweise wieder zuruckreflektieren, so daß Strukturen geschaffen werden können, bei denen in einer Richtung der Transmissionsgrad größer ist und in der anderen Richtung der Reflexionsgrad Dies wird aus folgenden später noch eingehend beschriebenen Ausfuhrungsbeispieien deutlicher werden

Üblicherweise wurde man aufgrund des Prinzips der Umkehrbarkeit der Lichtwege nicht erwarten, daß eine derartige Struktur möglich ist, sondern daß die Transmission in beiden Richtungen gleich sein wurde Aufgrund der Eigenschaft des Elementes, daß die Aufteilung in mehrere Komponenten statistisch erfolgt, kann jedoch dieses Prinzip nicht mehr angewendet werden Nur eine Teilkomponente folgt dem Prinzip der Umkehrbarkeit

Allgemein kann man für derartige Elemente teildurchlassige Spiegel oder beugende Strukturen verwenden, die gerade diese Eigenschaft der statistischen Aufteilung haben

Um die vorgesehene Eigenschaft zu verwirklichen, daß die Transmission kleiner als 50% in einer Richtung und der Reflexionsgrad größer als 50% in der anderen Richtung ist, ist gemäß einer vorzugsweise Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß die Einrichtung Spiegel aufweist, die bei Lichtdurchgang durch die Strukturen in eine Richtung die Komponenten parallelisieren und bei Lichtdurchgang in entgegengesetzter Richtung durch die Strukturen, mindestens eine Komponente zuruckreflektieren

Die beugende Struktur in der Einrichtung kann gemäß bevorzugten Weiterbildungen der Erfindung entsprechend einfach ausgeführt werden, indem für sie ein Gitter oder ein Hologramm gewählt wird Beugende Strukturen haben allerdings dispersive Eigenschaften, so daß derartige Strukturen nur für eine Wellenlänge optimal auslegbar sind Beim Einsatz von Weißlicht, wie es beispielsweise bei der

Beleuchtung von LCD-Matπxen oder DMD-Matπxen verlangt ist, sollte diese dispersive Eigenschaft möglichst verringert werden Dazu ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung in der Einrichtung vor und nach der beugenden Struktur je ein dispersives Element vorgesehen, mit dem die

Wellenlängenabhängigkeit der Beugungsstrukturen in einem definierten Wellenlängenbereich verringerbar ist

Um auch den Durchmesser des Lichtbundels möglich gleich zu halten, was eine später beschriebene Kaskadierung wesentlich vereinfacht, ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ein afokales Linsensystem vorgesehen, mit dem das die Einrichtung verlassende Lichtbundel auf denselben Durchmesser wie das in die Einrichtung eintretende Lichtbundel anpaßbar ist

Alle diese Weiterbildungen werden später anhand von Ausfuhrungsbeispieien noch deutlicher werden Insbesondere ist es aber bemerkenswert, daß derartige Einrichtungen mit Hilfe von Elementen, die statistisch verteilt in verschiedene Komponenten aufteilen, bisher für optische Isolatoren, beispielsweise in der die Lasertechnik, nicht eingesetzt wurden Ein unerwarteter Nebeneffekt der Erfindung ist damit die Schaffung besonders einfacher optischer Isolatoren mit den genannten Elementen, mit denen ein Lichtbundel in verschiedene Komponenten zerlegbar ist

Bei einer anderen bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist ein Hohlspiegel oder eine Linse zum Fokussieren des Lichtbundels 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 Ausgangslichtbundels als Produkt aus vorgegebenem Divergenzwinkel mit dem Blendendurchmesser eindeutig festgelegt

Insbesondere sind Hohlspiegel für eine gute Fokussierung besonders geeignet Wie nachfolgend aus Ausfuhrungsbeispieien 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 Stammlichtbundel oder der Stammlichtfacher 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 ruckgeworfenen Lichts auf der optischen Achse gegenüber der Fokalfläche des fokussierten Stamm chtbundels oder des Stammlichtfachers verschoben ist Bei dieser vorzugsweisen Weiterbildung der Erfindung macht man sich zunutze, daß ein fokussiertes Lichtbundel zwar keinen definierten Brennpunkt hat, seine Kaustik jedoch als von verschiedenen auf der optischen Achse hintereinander liegenden verschobene Lichtfächer darstellbar ist Bei einer Abbildung einer dieser Brennpunkte in die Blendenöffnung wird dann beim ersten Durchlauf ein sehr gutes Strahlprodukt des von der Blendenöffnung ausgehendes Lichtbundels erreicht Nach Reflexion des Lichtbundels 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 Lichtbundel oder Lichtfächer mit gut definiertem Strahlprodukt bei jedem 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 Lichtbundel 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 gunstige Überführung des Stammlichts in die von der Blendenöffnung ausgehenden Teilkugeln

Ein besonders bevorzugtes Ausfuhrungsbeispiel, das bezuglich der Leistung und des erreichbaren Strahl produkts 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 der 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 ruckgeworfenen Lichtbundels gegenüber dem Stammlichtbündel in einfacher Weise erreicht Insbesondere laßt sich damit auch die obengenannte und als gunstig 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 egend sowie beabstanded 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 fuhrt, ohne daß eine wesentliche Vergrößerung oder Verkleinerung des von der Spiegelfläche zurückgeführten Teillichtbundels erfolgen muß

Der Hohlspiegel könnte dabei konkav oder konvex gekrümmt sein Wie aber aus einem späteren Ausfuhrungsbeispiel 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 deren fokussierenden Eigenschaften das Ruckfuhren des Lichts besonders optimal wurde Es zeigt sich aber, daß eine zerstreuende Linse eine Verschiebung der einzelnen Brennpunkte in der Kaustik besonders effektiv bewirkt, 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 eine Wendel, eine Leuchtdiode oder einen Lichtbogen zur Erzeugung des Stammlichtbundels in der Vorrichtung selbst anordnen Man erhält dann eine Lichtquelle mit einem in einem Leuchtvolumen erzeugte und von diesem ausgehenden Lichtbundel, aber mit einem wesentlich kleineren Strahlprodukt als von einer derartigen ausgedehnten Lichtquelle zu erwarten wäre Insbesondere benötigt man dann auch keine eigene Einrichtung zum Zusammenfuhren von Lichtbundeln, da die von der Blendenumgebung zuruckreflektierten Lichtbundel nur einfach in das Leuchtvolumen zurückgeworfen werden müssen und dann als von diesem in gleicher Weise ausgehend wie das Stammlichtbündel weiteren Reflexionen unterworfen werden

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist diesbezüglich dadurch gekennzeichnet, daß eine Lichtquelle durch ein sich längs der optischen Achse erstreckendes, insbesondere durch eine Wendel, eine Leuchtdiode oder einen Lichtbogen, gebildetes Leuchtvolumen ausgebildet ist, wobei das Leuchtvolumen oder ein Spiegelbild von diesem im Fokus innerhalb eines räumlichen Bereichs liegt, in dem auch einer der beiden Brennpunkte der Hohlspiegel liegt Die damit erfolgende Optimierung wird insbesondere durch die Anordnung des Leuchtvolumens bestimmt Ein längliches, in Richtung der optischen Achse sich erstreckendes Leuchtvolumen kann dabei zum Verständnis der Wirkung analog zu den oben angegebenen hintereinander hegenden Brennpunkte der Kaustik eines Lichtfächers betrachtet werden, wobei allerdings hier das längliche Leuchtvolumen als hintereinander hegende kleine Kugeln zu betrachten ist, in die das ruckgeworfene Licht wieder, allerdings auf der optischen Achse verschoben, zurückgeführt wird, so daß bei jedem Ruck- und Vorlauf nach der

Reflexion an der die Blendenöffnung umgebenden Spiegelfläche ein anderer Teil des

Leuchtvolumens seinen Beitrag zum aus der Blendenöffnung ausfallenden Lichtbundel abgibt

Das rucklaufende Licht wird bei einer Wendel allerdings teilweise auch absorbiert, was aber nicht unbedingt nachteilig ist, denn die Wendel wird dadurch auch aufgeheizt, so daß die Lichtverluste bei Verringerung des Strahlproduktes teilweise vermieden werden können, weil deshalb die zur Aufheizung der Wendel zugefuhrte elektrische Energie verringert werden kann

Bei einem Lichtbogen kann allerdings das leuchtende Plasma, wegen seines von eins verschiedenen Brechungsindexes, selbst auch als Linse für das zuruckreflektierte 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 gunstig, gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung eine Kaskade von Vorrichtungen vorzusehen, bei der die erste und die folgenden Vorrichtungen 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 das Strahlprodukt durch eine einzige Vorrichtung optimiert wurde, 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 Große der Blendenöffnung ab, und die Fertigung der Blendenöffnung mit geeigneten Toleranzen kann Schwierigkeiten bereiten Dies ist aber nur bei solchen Einrichtungen ungunstig, bei denen das Lichtbundel als Lichtfächer auf diese Blendenöffnung fokussiert wird Bei parallelen Lichtbundeln 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 geeigneten 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 Diesbezuglich ist eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß zwischen mindestens zweien der kaskadierten Vorrichtungen ein optisches System zur Anpassung der Lichtbundel an die Einfalls- und Ausfallsbedingungen dieser Vorrichtungen vorgesehen ist

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

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausfuhrungsbeispieien unter Bezugnahme auf die beigefugte Zeichnung noch naher 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 Ausfuhrungsbeispiel ohne Fokussierung,

Fig 3 ein Ausfuhrungsbeispiel ähnlich wie in Fig 2, bei dem zur Verringerung des Divergenzwinkels des zuruckreflektierten Lichtbundels ein afokales Linsensystem eingesetzt wird,

Fig 4 ein Ausfuhrungsbeispiel mit zwei Hohlspiegeln,

Fig 5 ein Ausfuhrungsbeispiel mit Hohlspiegeln sowie einer Fokussierung zur Festlegung des Strahlproduktes für das ausgehende Lichtbundel 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 Ausfuhrungsbeispiel 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 Ausfuhrungsbeispiel für eine Lichtquelle mit geringerer Strahlproduktverbesserung aber optimierter Lichtleistung und einem Beleuchtungsfeld mit gleichmäßiger Beleuchtungsdichte, Fig. 10 ein erstes Ausführungsbeispiel für eine Isolatorstruktur, wie sie in den Beispielen von

Fig. 1 bis 9 einsetzbar ist, mit einer Beugungsstruktur und Spiegeln;

Fig. 11 ein anderes Ausführungsbeispiel, mit schrägem Anstellwinkel zum einfallenden Strahl;

Fig. 12 eine schematische Darstellung als Vorschlag zur Verminderung der Wellenlängenabhängigkeit der beispielsweise in Fig. 10 und Fig. 11 gezeigten Einrichtungen;

Fig. 13 ein Ausführungsbeispiel zur Änderung des Strahlproduktes unter Verwendung des

Ausführungsbeispiels von Fig. 11;

Fig. 14 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung der Wirkungsweise einer optischen Isolatorstruktur mit teildurchlässigem Spiegel in Durchlaßrichtung;

Fig. 15 eine schematische Darstellung, wie in Fig. 14, jedoch in Gegenrichtung für Reflexion betrieben;

Fig. 16 eine andere Ausführungsmöglichkeit eines optischen Isolators, der ähnlich dem von Fig. 14 und Fig. 15 aufgebaut ist;

Fig. 17 ein Ausführungsbeispiel eines optischen Isolators ähnlich den Figuren 14 bis 16, jedoch mit erhöhtem Reflexionsgrad und geringerem Strahlprodukt im Ausgang;

Fig. 18 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels zur Veränderung des

Strahlproduktes, wie es beim Einsatz von optischen Isolatoren gemäß den vorhergehende Beispielen von Fig. 10 bis 17 möglich wird;

Fig. 19 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung der Divergenzänderung eines Lichtbündels bezüglich verschiedener Abstände zur optischen Achse;

Fig. 20 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Verringerung des Strahlproduktes unter Einsatz optischer Isolatoren;

Fig. 21 ein anderes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zur Verringerung des

Strahlproduktes unter Einsatz optischer Isolatoren, jedoch mit gleichzeitiger

Verringerung der Divergenz sowie des Durchmessers eines Lichtbündels.

Die in den folgenden Ausführungsbeispielen gezeigten Optiken und Vorrichtungen sind häufig, vor allem 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 Kippspiegelmatnxen 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 dann, 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 rotationssymmetrisch um die optische Achse ausgebildet werden, sondern eine dem rechteckigen Strahlprofil des Ausgangsbundeis angepaßte, optimierte Form aufweisen Allerdings haben nicht rotationssymetrische Ausfuhrungen auch noch weitere Vorteile bezüglich der Verbesserung von Strahlprodukten, wie anhand von Fig 19 noch eingehend erläutert wird

Das Optimierungskriterium für die Auslegung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 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 Stammhchtbundels 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 Lichtbundel 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 Ausgangslichtbundel 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 Winkeibereich abhangig 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 Ausfuhrungsbeispiel 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 Ruckreflexion 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 fuhren 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%-ιge Reflexion nicht möglich ist, sollte die Formgebung der Spiegelfläche optimiert werden, um möglichst viele Lichtstrahlen nach möglichst wenigen Reflexionen an die Blende 2 zu fuhren Mehrere

Optimierungsmethoden werden im Folgenden anhand einiger Beispiele gezeigt

Weiter entstehen beim Ausfuhrungsbeispiel von Fig 1 auch Verluste dadurch, daß Lichtanteile auch wieder in entgegengesetzter Richtung zum Stammlichtbündel herausfallen können und zum Ausgangslichtbundel nicht mehr beitragen Hier ist es empfehlenswert, einen optischen Isolator vorzusehen, der das in entgegengesetzte Richtung des Stammlichtbundels ausfallende Licht wieder zuruckreflektiert Derartige optische Isolatoren sind bekannt und wirken meist aufgrund unterschiedlicher Polarisationen der Lichtbundel Dagegen werden hier vorteilhafterweise andere Systeme, die polansationsunabhängig arbeiten und später anhand der Figuren 10 bis 19 eingehender beschrieben werden, eingesetzt

Eine in Fig 2 gezeigte, als Isolator dienende Einrichtung 15 enthält im Bereich 16 im wesentlichen eine Anordnung von Spiegeln und/oder beugenden Strukturen, deren Aufbau hier zur Vereinfachung weggelassen wurde, aber später eingehender erläutert werden wird Es wird zur Vereinfachung der Darstellung hier nur angenommen, daß der Isolator einfach als Schicht 16 vorliegt Das Stammlichtbündel 3 wird von der Einrichtung 15 im wesentlichen durch die Schicht 16 durchgelassen, während ein von rechts kommendes Lichtbundel 18 reflektiert wird Die Einrichtung 15 kann beispielsweise von der linken Seite ein reflektierend ausgebildeter Isolator sein, wobei die Schicht 16 dann ein teilverspiegelter Spiegel ist

Das Stammlichtbündel 3 wird im Beispiel von Fig 2 auch nicht fokussiert sondern gelangt nahezu parallel auf die Blende 2, die ein Teillichtbundel 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 die Schicht 16 wieder auf die Blende 2 zurückgeworfen Allerdings wird das ruckgeworfene Lichtbundel 18 dabei gegenüber dem ersten Durchlauf versetzt zum vorherigen Verlauf hinzugefugt, so daß es beim zweiten Durchlauf fast vollständig durch die Blende 2 gefuhrt 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 Lichtbundel oder ein im wesentlichen paralleles Lichtbundel auf eine Blende 2 zu richten, für unterschiedliche Einsatzbereiche von besonderem Vorteil Da die Blende 2 das Strahlprodukt im Ausfuhrungsbeispiel 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 Ausfuhrungsbeispiel 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, hangt das erreichbare Strahlprodukt des Ausgangshchtbundels 3" nicht wesentlich von der Größe der Blende 2 ab, sondern davon, wie viele Ruckläufe man tolerieren kann, bis nahezu die vollständige Lichtintensität des Stammlichtbundels 3 durch die Blende 2 gefuhrt ist

Deshalb ist ein Ausfuhrungsbeispiel, bei dem das die Blende 2 erreichende Stammlichtbündel im wesentlichen parallel ist, wie in Fig 2 gezeigt, bei sehr geringen Strahlprodukten für das

Ausgangslichtbundel bei im wesentlichen parallelem Stammlichtbündel einer auf die Blende 2 fokussierenden Vorrichtung vorzuziehen Dagegen ist das Strahlprodukt bei einem Ausfuhrungsbeispiel, bei dem auf die Blende 2 fokussiert wird, wie schematisch in Fig 1 gezeigt ist, wesentlich unabhängiger 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 gunstiger 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 Lichtbundel vorsehen, mit denen dann gleichzeitig auch die Winkeldivergenz der in die nachfolgenden Vorrichtungen einfallenden Lichtbundel verringert wird

Die erreichbare Intensität des Ausgangsstrahls im Ausfuhrungsbeispiel von Fig 2 hängt im wesentlichen von der Anzahl der möglichen Reflexionen bei den Umläufen der ausgeblendeten üchtanteils 18 über die Spiegel 6, 20 und die optische Isolatorschicht 16 ab Sehr große Winkel im Stammlichtbündel 3 fuhren 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 zurückgeführten Lichtbundels 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 Spiegelkrummungen 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 Ruckweg für das reflektierte Lichtbundel sind zwei Linsen 30, 32 angedeutet, die in der Mitte durchbrochen sind, um das Lichtbundel 3' hinter der Einrichtung 15 ungehindert durchzulassen Dieses afokale Linsensystem weitet das vom Spiegel 22 ruckgeworfene Licht jedoch, vorzugsweise auf die Große des Stammlichtbundels 3, auf Damit wird zwar der Durchmesser wieder vergrößert, die Winkeldivergenz des ruckgeworfenen Lichtbundels jedoch verringert, so daß das von der Blende 2 rückgeworfene Licht unendhchmal 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 Ausfuhrung 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 Ausfuhrungsbeispiel im gleichen Punkt 35 Die Geometrie in Fig 6 ist so gewählt, daß ein

Lichtbundel 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 Ausfuhrungsbeispiel von Fig 4 ist nur ein Brennweitenverhältnis von 2 1 gezeigt Dieser Wert egt extrem hoch, bei einer praktischen Realisierung wird man dagegen Brennweitenverhältnisse in der Größenordnung eins wählen, das Verhältnis von zwei 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 die vorher beschriebene Schicht 16 vermeiden will Die Art der Einkopplung ist dabei aber relativ gleichgültig, da der Spiegel 24 wieder ein im wesentlichen paralleles Lichtbundel formiert, das teilweise als Ausgangslichtbundel 3" aus der Blende 2 entnommen wird Der Lichtanteil, der nicht durch die Blende 2 geht, wird durch den Brennpunkt 35 zurückgeführt und gelangt nach weiteren Reflexionen wieder vergrößert an die Öffnung der Blende 2, wo wegen der Vergrößerung wieder ein geeigneter Anteil zur Verfugung steht der durch die Öffnung der Blende 2 durchgelassen wird usw

Die Lage der Öffnung 36 sowie die der Blende 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 36 zurückgeworfen wurde, wenn kein optischer Isolator vorgesehen wird Durch einen optischen Isolator können also Lichtverluste bei der Verbesserung des Strahlproduktes aufgrund Verhinderung des Rucklaufs 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 Lichtbundels zur Veränderung des von der Spiegelfläche ruckgeworfenen 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 Öffnung der Blende 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 Lichtbundel 3' auf die Linse 40 und die Blende 2 gerichtet wird Hier kann man über die Spiegel 22 und 6 auch eine Verkleinerung des zurückgeworfenen Lichtbundels vorsehen, so daß das ausgeblendete und ruckgeworfene

Teillichtbundel bei jedem Umlauf immer naher an die optische Achse gelangt, und bei entsprechenden Eingangsbedingungen des Strahls 3 effektiver durch die Öffnung der Blende 2 gefuhrt wird

Ein anderes in den nachfolgenden Beispielen eingesetztes Prinzip wird vorerst an der bekannten Darstellung einer Kaustik gemäß Fig 6 erläutert Ein fokussiertes Lichtbundel läßt sich nämlich als Fokussierung unterschiedlicher Lichtstrahlen in verschiedenen auf der optischen Achse hegenden 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 Öffnung der Blende 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 eine Gluhwendel, ein Lichtbogen, eine Reihe von Superlumineszenzdioden oder ähnliches sein kann Auf die Ausfuhrung als Lichtquelle ist dieses Beispiel aber nicht beschränkt Man kann auch ein anderes Lichtbundel, beispielsweise am Punkt A einleiten und in das Leuchtvolumen 50 fokussieren Um Verluste durch Rucklauf einiger Strahlen in den Eingangsbereich A zu vermeiden, kann dann wieder ein optischer Isolator, also wie die Einrichtung 15, eingesetzt werden

Jedoch sind die Einleitungsbedingungen bei diesem Beispiel so gunstig, daß man bei nicht zu geringen, im Ausgang verlangten Strahlprodukten darauf sogar 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 paralle sert, da sich dieses Ende des Leuchtvolumens in dessen Brennpunkt befindet Wegen der Parallelisierung werden diese Lichtstrahlen danach ebenfalls durch die Linse 56 in die Öffnung der Blende 2 fokussiert Der Durchmesser der Linse 56 ist so dimensioniert, daß alle von dem Punkt 35 auf der optischen Achse 1 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 Öffnung der Blende 2, sondern auf die gekrümmte Spiegelfläche 6, aufgrund der das Lichtbundel aber in den Punkt 35, das Ende des Leuchtvolumens 50, zuruckreflektiert wird, von dem aus es dann nachfolgend, wie alle vom Punkt 35 ausgehende Lichtstrahlen, in die Blende 2 geworfen werden Ein anderes Lichtbundel, 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 hegt 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 Ausfuhrungsbeispiel von Fig 7 ist das erreichbare Strahlprodukt im wesentlichen nur durch die Abmessungen definiert, wahrend die Abmessungen des Leuchtvolumens 50 nur die Lichtintensität im Ausgang bestimmen So ist der Durchmesser des Ausgangslichtbundels in der Öffnung der Blende 2 allein durch deren Durchmesser d gegeben Der Divergenzwinkel ist allein durch den Radius a der 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 Lichtbundel 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 Ausgangslichtbundel nach Parallehsieren 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 Lichtbundel mit Strahlprodukten, die denen von Lasern vergleichbar werden

Verspiegelungen mit 95% bis zu 98% Reflexionsvermogen 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 Ausfuhrungsbeispiel von Fig 7 dadurch, daß das Leuchtvolumen 50 in der Einrichtung zur Verringerung des Strahlproduktes integriert ist, weil dann nur wenige Strahlen durch eine Einkoppeloffnung, beispielsweise am Punkt A verlorengehen Allerdings fallen nach den Reflexionen einige Lichtstrahlen wieder in das Leuchtvolumen 50 ein und können dort, beispielsweise auf einem zur Lichtemission eingesetzten Wendel, absorbiert werden Dies ist bei einer Wendel nicht weiter problematisch, weil dabei das zurückfallende Licht die 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 Diodenzellen seitlich der optischen Achse 1 anzuordnen, und die Spiegelfläche 6 zusammen mit der Linse 56 fokussierend auszubilden, damit die Reflexion über diese näher an die optische Achse 1 heranfuhrt, so daß das ruckgeworfene Licht vom Halbleitermateπal nicht mehr absorbiert werden kann Das bedeutet auch, wie vorhergehend schon ausgeführt wurde, daß der Brennpunkt 35 vorzugsweise am anderen Ende der Diodenzeile hegt als es beim Beispiel von Fig 7 gezeigt wurde Eine von der optischen Achse beabstandete Anordnung ist natürlich auch bei einer Wendel möglich, wodurch ebenfalls die Reabsorption des Lichts von der Wendel verringert werden kann

Bezuglich 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 Reflexion 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 gunstige Strahlprodukte ferner durch die Wahl der Elektrodenanordnungen optimieren Eine derartige vorteilhafte Elektrodenanordnung wird nachfolgend 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 gunstig 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 einer Anode 64 Die Anode 64 wird dabei vollständig verspiegelt Gegenüber der üblichen Formgebung ist vor allem die sphärische oder parabolische Ausfuhrung 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 Öffnung der Blende 2 fokussiert Diese Formgebung eines Spiegels, wie sie im Beispiel von Fig 8 bei der Anode 64 gezeigt ist, läßt sich ferner auch beim Ausfuhrungsbeispiel von Fig 7 einsetzen, selbst wenn kein Lichtbogen verwendet wird Auf die Linse 54 wird dann verzichtet und ein Formkörper nach Art der Anode 64 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 zuruckreflektierten Licht ermöglicht, so daß auch die Absorption reflektierten Lichts in die hchtemtttierenden Elemente des Leuchtvolumens verringert werden kann

Ferner lassen sich beispielsweise drei Superiumineszenzdioden entlang der optischen Achse anordnen, die für die Färb- 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 usw 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 verfugbar wird, bei denen der Kostenfaktor für einen Einsatz noch wesentlich verringert werden muß

Zur Beleuchtung von Dias, Filmbildern, LCD-Matπxen oder ähnlichem kommt es aber nicht nur auf eine hohe Lichtintensitat 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 Kippspiegelmatnxen hervorzuheben Kippspiegelmatnxen sind Anordnungen von Kippspiegeln in Reihen und Spalten, mit deren Schaltzustand ein Bild dargestellt wird Bei digitalen Kippspiegelmatnxen, 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 ungunstig 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 Kippspiegelmatnx 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 eingesetzte 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 Kippspiegelmatnxen 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 Ausgangslichtbundel erzeugt, das mit der Kippspiegelmatrix voll zu Deckung gebracht werden kann, wodurch Lichtverluste ebenfalls entsprechend klein gehalten werden. Außerdem kann erwartet werden, daß die Kippspiegelmatrix 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 einer Wendel, vollständig verlorengeht.

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 noch mal 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 verspiegeiter 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 Lichtbundel, so daß es bei jeder Reflexion naher an die optische Achse 1 gefuhrt wird und dann letztendhch 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 die optische Achse 1 zurückgeführt wird Bei entsprechender Formgebung der zur Blende 2 weisenden Oberfläche 78 des Körpers 74, 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 Flache 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 usw 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, bezuglich Spiegelkrummung auf die Leuchtdichte- und Winkelverteilung des Stammlichtbundels so optimieren, daß bei gegebenem Strahlprodukt eine maximale Intensität am Ausgang erreicht wird Wie aus den Erörterungen der obigen Beispiele erkennbar ist, hängt der im einzelnen zu wahlende Aufbau der Vorrichtung dabei wesentlich vom Anwendungsfall ab

Eine wesentliche Verbesserung derartiger Strukturen wird jedoch erreicht, wenn die Lichtquelle von den Spiegeln zur Verbesserung des Strahlproduktes optisch entkoppelt wird, wie beispielsweise durch die vorher schon funktionsmäßig beschriebene Einrichtung 15, deren Aufbau im nachfolgenden, auch in Hinsicht auf die Auswirkung für eine Verbesserung des Strahlproduktes eingehender diskutiert wird

Derartige Einrichtungen sind insbesondere aus der Lasertechnik bekannt Beispielsweise will man bei Ringlasern eine Richtung gegenüber der entgegengesetzten Richtung der Lichtausbreitung auszeichnen Dazu werden sogenannte optische Isolatoren eingesetzt, die in einer Richtung Licht vollständig durchlassen, in anderer Richtung jedoch nicht Für die Realisierung derartiger Bauelemente ist es bekannt, dem Lichtbundel beim Durchlaufen eines bestimmten Weges eine Polansationsdrehung aufzuprägen, die sich beim Durchlauf in umgekehrter Richtung noch vergrößert, so daß man mit Hilfe von Polansationsstrahlteilern für sich in einer Richtung fortpflanzende Lichtbundel vollständige Transmission, für Lichtbundel in entgegengesetzter Richtung dagegen eine demgegenüber verringerte Transmission einstellen kann

Dazu wird bisher der Faradayeffekt ausgenutzt, das heißt, dem Lichtbundel wird eine Polansationsänderung aufgeprägt, die auch beim Rucklaufen des Lichtbundels nicht wieder aufgehoben wird, wie es bei allen anderen bekannten polaπsationsändemden Materialien der Fall wäre

Der dabei eingesetzte magnetooptische Effekt ist gering, und es bedarf dazu deshalb hoher Feldstärken bzw einer sehr großen Länge durchlaufenen Weges, also hoher elektrischer Leistungen sowie besonders reiner Materialien Insgesamt sind derartige Einrichtungen sehr aufwendig

Es besteht aber der Wunsch, insbesondere weil durch die Videotechnik mit Lichtbundeln anstelle von Eiektronenstrahlen ein großer Markt für Laser erwartet wird, alle Bauelemente einfacher, weniger aufwendig und vor allem kostengünstiger zu machen Für derartige optische Isolatoren werden hier deshalb wesentlich einfachere Ausfuhrungsformen vorgeschlagen, bei denen der magnetooptische Effekt nicht eingesetzt wird

Bei den im folgenden gezeigten Isolatoren wird ein im wesentlichen paralleles Lichtbundel in mindestens zwei Komponenten aufgespaltet und die Komponenten in einer Richtung parallehsiert sowie in Gegenrichtung die Mehrzahl an Komponenten reflektiert, so daß sich in der ersten Richtung im wesentlichen Transmission und in Gegenrichtung im wesentlichen Reflexion ergibt

Im ersten Beispiel wird eine derartige Einrichtung mittels einer Beugungsstruktur und mindestens einem Spiegel verwirklicht, wobei die für Isolatoren erforderliche Richtungsunsymmetπe durch das Spiegeln mindestens einer Beugungsordnung erreicht wird

Die Wirkungsweise der Einrichtung laßt sich vor allem verbessern, indem man mehrere derartige Einrichtungen hintereinanderschaltet Eine solche Kaskade besteht aus mehreren Einrichtungen der gesamten Art, bei denen das austretende Lichtbundel einer Einrichtung in die nachfolgende eingeleitet ist

Wenn auch die Einrichtung oder eine Kaskade derselben zur Verwendung als optischer Isolator vorgesehen ist, eröffnen sich doch weitere Anwendungsgebiete So läßt sie sich auch als Einrichtung oder Kaskade zum Zusammenfassen mehrerer Lichtbundel sowie selbst als Einrichtung oder Kaskade zur Verbesserung des Strahlproduktes eines Lichtbundels mit hoher Lichtintensität einsetzen In Fig 10 ist ein Ausfuhrungsbeispiel zu sehen, anhand dessen zunächst die wesentlichen Elemente der Erfindung gezeigt sind Wichtigstes Merkmal ist aber die Beugungsstruktur 102, mit der die Intensität eines einlaufenden Lichtbundels 104 in Lichtbundel 104', 105, 106 entsprechend unterschiedlicher Beugungsordnungen aufgeteilt wird Dementsprechend wird ein in Fig 10 von rechts einlaufendes Lichtbundel in auslaufende Lichtbundel 104, 105', 106' aufgespalten

Zur Vereinfachung der Darstellung sollen als Beispiele ausschließlich solche Beugungsstrukturen 102 besprochen werden, für die es neben der nullten Ordnung nur ein weiteres Beugungsmaximum gibt Das heißt für ein hier beispielhaft genanntes Strichgitter als Beugungsstruktur mit gleichmäßigem Strichabstand, daß der Sinus des Ablenkwinkel des gebeugten Strahles größer als 0,5 sein soll Man könnte dazu ein Strichgitter mit sehr großen Ablenkwinkel größer als 30° einsetzen

Ferner lassen sich auch Gitter mit unterschiedlichen Strichabständen einsetzen, bei denen sich zweite, dritte usw Beugungsordnungen aufheben Aus dem Zahlenbeispie! ist aber zu erkennen, daß je nach Ausfuhrung auch Strichabstände in der Größenordnung von der doppelten Wellenlänge vorkommen werden, was die Herstellung erschweren kann Einfacher ist es in solchen Fällen als Beugungsstruktur 102 ein Hologramm zu verwenden

Prinzipiell könnte man ein derartiges Hologramm dadurch erzeugen, daß statt der Beugungsstruktur 102 zunächst eine photobeschichtete Glasplatte in die Einrichtung eingesetzt wird und mit Laserstrahlen aus den gewünschten Richtungen belichtet sowie die Photoplatte anschließend entwickelt und die erzeugte Struktur fixiert wird Das so gewonnene photographische Bild wäre eine geeignete Beugungsstruktur 102, die mit einfachen Mitteln herzusteilen wäre und wenn sie in der gleichen Einrichtung als Hologramm hergestellt wurde in der sie nachfolgend eingesetzt wird, auch den Aufwand für eine Justierung vermindern wurde, da mechanische Toleranzen im so gewonnenen Hologramm berücksichtigt wären

Prinzipiell sind als Beugungsstruktur 102 alle Arten von Gittern möglich Insbesondere kann im Gegensatz zu dem in Fig 10 gezeigten flächigen Fall mit Beugung nur in eine Richtung auch der dreidimensionale Fall betrachtet werden, bei dem die für das Strichgitter beispielhaft genannten Striche in Form konzentrischer Ringe mit ungleichmäßigen Radien angeordnet sind Für derartige und komplexere Strukturen bietet sich vor allem die Hologrammtechnik an

Neben derartigen Alternativen für die Beugungsstruktur 102 gibt es viele weitere Möglichkeiten zur Realisierung, wobei sich die unterschiedlichsten Vorteile ergeben können So wurde beispielsweise ein akustooptischer Modulator als Beugungsstruktur sogar eine Einstellung auf Licht mehrerer Wellenlängen und auch eine Abstimmung auf eine bestimmte Wellenlänge erlauben

Im folgenden sei auf die Funktion des Ausfuhrungsbeispiels von Fig 10 näher eingegangen Auf der rechten Seite sind zwei Spiegel 108 und 109 angeordnet, mit denen die Lichtbündel 105 und 106, die ιn die erste Ordnung gebeugt werden, parallel zu dem Lichtbundel nullter Ordnung 104' abgelenkt werden

Es ergibt sich dann folgende Situation Ein Lichtbundel 104 von der linken Seite der in Fig 10 gezeigten Einrichtung wird nach rechts als aus den Lichtbundeln 104' 105 106 bestehendes gemeinsames Lichtbundel durchgelassen Ein Lichtbundel 104' von rechts, wird dagegen nur als intensitätsverπngertes Lichtbundel 104 transmittiert Die fehlende Intensität, die in Lichtbundel 105' und 106' in die erste Beugungsordnung gebeugt wird, werden zur Seite gestreut und verlassen die Einrichtung, wenn sie als Isolator betrieben wird, ungenutzt

In Fig 10 sind weiter zwei mit unterbrochenen Linien gekennzeichnete optische Elemente 110 und 112 angeordnet, die optional eingesetzt werden können, und die im obigen Fall des reinen Isolators Absorber sind

Wie aus Fig 10 auch ersehen werden kann, hat das von links durchgehende Lichtbundel aber eine andere laterale Ausdehnung als das von rechts durchgehende Diesen Unterschied kann man dadurch ausgleichen, daß rechts hinter der Einrichtung ein afokales Linsensystem angeordnet wird, welches das aus den Lichtbundeln 104', 105, 106 bestehenden gemeinsamen Lichtbundel ein Lichtbundel der gleichen transversalen Ausdehnung, wie das Lichtbundel 104 formt Im Fall eines Strichgitters mit senkrecht zur Fig 10 verlaufender Richtung ist dies ein afokales anamorphotisches Linsensystem

Wenn die Beugungsstruktur 102 dafür ausgelegt ist, daß in jeder Beugungsordnung gleich viel Lichtintensität gebeugt wird, wird ein von rechts einfallendes Lichtbundel auf 1/3 gedämpft Für ein von links einfallendes Lichtbundel hegt dagegen bei Idealbedingungen volle Transmission vor

Dies Ergebnis ist zunächst unerwartet Aus der klassischen Optik erwartet man wegen der Umkehrbarkeit des Lichtweges für jede Struktur, daß ein von links einlaufendes Lichtbundel, die gleiche Transmission wie ein von rechts einlaufendes Lichtbundel hat Die klassischen geometrischen Vorstellungen berücksichtigen aber beispielsweise nicht die Interferenz, die wegen der Beugungsstruktur 102, wie in diesem Beispiel 1 gezeigt, wesentlich wird und durchaus andere Gesetzmäßigkeiten verlangt als sich durch die reine geometrische Optik ergibt

Wichtig ist hier aber allein, daß eine statistische Aufspaltung in unterschiedliche Strahlkomponenten erfolgt Man kann den gleichen Effekt namlich auch mit teildurchlassigen Spiegeln realisieren, wie später noch anhand der Figuren 14 bis 17 gezeigt wird

Baut man das Ausfuhrungsbeispiel gemäß Fig 10 rotationssymmetrisch um eine optische Achse 114 auf, wobei die Beugungsstruktur 102 beispielsweise eine holographische Linse ist, und die Spiegel 108 und 109 als Kegelinnenfläche verwirklicht sind, dann ergibt sich sogar noch ein größerer Transmissionsunterschied Dann hat der Strahl 104 bei einem von rechts kommenden Lichtbundel nur noch 1/9 Intensität

Durch Kaskadieren zweier dieser Einrichtungen, namlich der Anordnung einer weiteren derartigen Einrichtung mit entsprechendem afokalen Linsensystem zur Anpassung der Strahldurchmesser hinter der in der Fig 10 dargestellten ist die Transmission sogar nur 1/81 Bei noch weiteren hintereinander angeordneten Einrichtungen kann die Transmission beliebig weiter vermindert werden, wobei aber die Transmission von links nach rechts nicht wesentlich beeinflußt wird

Zur Anwendung der Einrichtung bei den vorhergenannten Einrichtungen zur Verbesserung des Strahlproduktes wählt man als optische Elemente 110 oder 112 Spiegel, welche die Strahlen 105' und 106' wieder auf die Beugungsstruktur 102 zurückfuhren Die reflektierten Lichtbundel 105' und 106' werden dann nämlich wieder in die Lichtbundel 105, 104' und 106 zurückgebeugt Eine solche Einrichtung ist dann für ein Lichtbundel 104 von links voll transmittierend und für ein Lichtbundel 104' von rechts teilweise reflektierend Durch Kaskadierung mehrerer dieser Vorrichtungen läßt sich gemäß den oberen Betrachtungen durchaus ein mehr als 95% reflektierender Spiegel bei Einfall von rechts und nahezu voller Transmission bei Einfall von links schaffen

Derartige Strukturen waren bisher nicht bekannt Sie eignen sich aber beispielsweise als Resonatorspiegel für einen Laser mit dem lasenden Medium rechts der Einrichtung von Fig 10 bei einer voll transmittierten Laserleistung von links Es steht zu erwarten, daß damit Laser höherer Leistung geschaffen werden können, da dann Verstärker hintereinandergeschaltet werden können, wobei die Laseranregung aller Verstärker kohärent ist Damit werden auch Laser mit mehreren optischen Verstärkern möglich, die auch im Fernfeld eine hohe Leuchtdichte aufweisen, was bei bisherigen Verstärkeranordnungen nur schwierig zu erreichen war, da es an einer geeigneten Möglichkeit fehlte, die Lichtemission verschiedener Verstärker kohärent zusammenzuaddieren

In der zunächst beschriebenen Ausfuhrung der Einrichtung von Fig 10 ist die Einrichtung aber als Laserspiegel wenig geeignet, da im Lichtbundel 105 nicht dieselbe Phase vorliegt wie im Lichtbundel 104' Es lassen sich jedoch für diese Anwendung durchaus geeignete Bedingungen schaffen, indem insbesondere ein brechendes Medium 120 geeigneter Form vorgesehen ist, mit dem die Phasen wieder korrigiert werden, wie es durch die durchbrochenen Linien in Fig 10 angedeutet ist Allerdings muß der Winkel der Spiegel 108 und 109 auf dieses Medium entsprechend angepaßt werden, damit die Ausgangsstrahlen wieder parallel sind Für die Phasenkorrektur kann man außerdem auch eine entsprechende Beschichtung der Spiegel 108 und 109 vorsehen

Ein weitere Anwendung der Einrichtung ist ebenfalls aus Fig 10 ersichtlich Laßt man nämlich die optischen Elemente 110 und 112 in Fig 10 weg und fuhrt drei Lichtbündel in Gegenrichtung zu den gezeigten auslaufenden Lichtbündel 104,105'und 106', ergibt sich auf der anderen Seite der Beugungsstruktur ein Gesamtlichtbundel aus den Lichtbundeln 104', 105 und 106, das an jedem Ort

Anteile aus jedem der einlaufenden Lichtbundel enthält Mit der Einrichtung von Fig 10 lassen sich damit drei oder, im Fall des rotationssymmetrischen Aufbaus um die Achse 114, mehrere Lichtbundel in einem gemeinsamen Lichtbundel zusammenfuhren Diese Eigenschaft wird noch bei der später dargestellten Verwendung der Einrichtung für eine Verminderung des Strahlproduktes wesentlich werden

In Fig 11 ist ein Beispiel gezeigt, bei dem die Braggreflektion ausgenutzt wird Bei dieser Reflexion sind Einfalls- und Ausfallswinkel für die erste Ordnung gleich Dadurch entsteht die gleiche Phasenverschiebung beim Einfall auf die und Ausfall von der Beugungsstruktur 102 Man kann dann mit einfachen Gittern einen größeren Ablenkwinkel erzeugen Außerdem hat der Ausgangsstrahl erster Ordnung auch im wesentlichen die gleiche Winkeldivergenz wie der einfallende Strahl Diese Eigenschaft wäre im Beispiel von Fig 10 nicht gegeben, wie einfache Rechnungen zeigen

Ist α der Einfallswinkel zur Normalen der Beugungsstruktur und ß der Ausfallswinkel zur Normalen ergibt sich für die bekannte Beugungsgieichung am Gitter

sιn(α)+ sιn(ß)=n^*d/λ

mit n eine die Ordnung bezeichnende ganze Zahl, d dem Gitterabstand und λ der Wellenlänge Durch Differenzieren erhält man

cos(α)Δα+cos(ß)Δß=0

mit Δα und Δß den entsprechenden Divergenzwinkeln Damit ergibt sich für die Divergenz des Ausfallswinkels

|Δß|=|ΔαCθS(α)/cos(ß)|

Bei Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel bleibt die Divergenz gleich, dagegen sind die Winkeldivergenzen der Teilstrahlen 105 und 106 im Ausfuhrungsbeispiel von Fig 10 großer als die des einfallenden Lichtbundels 104

Diese Rechnung zeigt auch, daß bei besonders flachen Auftreffwinkeln (große Einfallswinkel) auf die Beugungsstruktur die Winkeldivergenz eines links auslaufenden Strahles beim Durchlaufen geringer werden kann, wenn der Ausfallswinkel wesentlich kleiner als der Einfallswinkel ist, jeweils gemessen zur Flächennormalen der Beugungsstruktur 102 Dies ist ebenfalls unerwartet Aus der geometrischen Optik erwartet man nämlich, daß das Strahlprodukt, definiert als der mittlere Divergenzwinkel multipliziert mit dem Strahlradius, eine Konstante ist, die nicht verringert werden kann Bei sehr flachen Auftreffwinkeln eines Lichtbundels 104 auf eine Beugungsstruktur 102 wird jedoch die Winkeldivergenz verkleinert, so daß man die gezeigten Einrichtungen auch als Mittel zur

Änderung des Strahlproduktes einsetzen kann

In Fig 11 ist zur Vereinfachung der Darstellung eine Beugungsstruktur gewählt, bei der ein in die erste Ordnung gebeugtes Lichtbundel unter rechtem Winkel vom einfallenden Strahl wegläuft Unter Berücksichtigung, daß die gleichen Bezugszeichen wie in Fig 10 eingefugt wurden, erkennt man die gleiche Funktion bei beiden Beispielen, mit dem Unterschied, daß in diesem Beispiel nur die Hälfte an optischen Bauelementen, wie Spiegel 108, 109 und optische Elemente 110, eingesetzt werden muß

Die exakten Winkelbedingungen werden allerdings nur bei Licht einer definierten Wellenlänge eingehalten Um einen größeren Wellenlängenbereich zuzulassen, können jedoch geeignete Maßnahmen getroffen werden, wie nun näher anhand von Fig 12 gezeigt wird

Dabei ist die Beugungsstruktur 102 zwischen zwei gleichen aber gegeneinander um 180° verdrehten Prismen 122 und 124 angeordnet Die äußeren Flachen 126 und 128 der Prismen hegen dabei parallel zueinander Das gleiche gilt für die inneren Flächen 130 und 132 Dadurch wird eine Winkeländerung durch beide Prismen 122 und 124 beim Durchgang eines ungebeugten Lichtbundels aufgehoben Diese Eigenschaft ist vom Durchgang von Licht durch eine planparallele Platte bekannt und kann auch leicht über das Prinzip der Umkehrbarkeit der Lichtwege verstanden werden

Ein Lichtbundel 104 läuft also als Lichtbundel 104' in nullter Beugungsordnung unabhängig von der Wellenlänge in gleicher Richtung aus Allerdings tritt ein Versatz auf, der hier aber nicht berücksichtigt werden muß

Weiter ist in Fig 12 der Weg eines in die erste Beugungsordnung gebrochenen Lichtbundels 105 zu sehen Zum Vergleich ist weiter ein Lichtbundel 104" eingezeichnet, das mittels der Beugungsstruktur 102 in das Lichtbundel 105" erster Beugungsordnung überfuhrt wird Dieses Lichtbundel 105" hat eine kürzere Wellenlänge als die des Lichtbundels 104, wird also weniger gebeugt Allerdings wird Licht dieser Wellenlänge durch das Pπsmenmateπal der Prismen 122 und 124 stärker gebrochen Bei geeigneter Auslegung der Prismen 122 und 124 können also Lichtbundel 104, 104" um den gleichen Winkel abgelenkt werden, eine Wellenlangenabhangigkeit über einen größeren Spektralbereich kann damit vermindert werden

Eine andere Möglichkeit zur Verringerung der Wellenlangenabhangigkeit läßt sich beispielsweise dadurch erreichen, daß die im Beispiel von Fig 10 und analog im Beispiel von Fig 11 angegebenen Spiegel 108, 109, 110, und 112 wieder durch Beugungsgitter 102 realisiert sind, da sich dann die Wellenlangenabhangigkeit vollständig aufhebt, wenn diese Beugungsgitter parallel zu dem Beugungsgitter 2 stehen Die Auslegung von derartigen Gittern, die praktisch nur in eine Richtung beugen und damit nur einen geringen Streuverlust zulassen, sind aus dem Stand der Technik bekannt Man kann für alle diese Spiegel 108, 109, 110, 112 transmitierende Beugungsstrukturen einsetzten, wobei dann aber hinter den entsprechenden Beugungsstrukturen, an den durch die

Bezugszeichen 110 und 112 gekennzeichneten Stellen Spiegel eingebracht werden sollten

In Fig 13 ist nun ein Ausfuhrungsbeispiel gezeigt, mit dessen Hilfe das Strahlprodukt eines Lichtbundels 140 mittels einer Beugungsstruktur in einfacher Weise verringert wird

Bei diesem Beispiel wird die Ausfuhrungsform von Fig 11 als Einrichtung zum Zusammenfassen zweier Lichtbundel eingesetzt Diese Einrichtung verändert selbst das Strahlprodukt nicht oder nur wenig, da die Beugungsstruktur 102 gegenüber dem einfallenden Lichtbundel unter sehr steilem Winkel egt

In dem Ausfuhrungsbeispiel von Fig 13 wurden Prismen 120, 122 und 124 zum Schaffen einer geeigneten Phasenbedingung und zur Verbreiterung des Wellenlängenspektrums zur Vereinfachung der Darstellung weggelassen

Ein Lichtbundel 140 wird gemäß Fig 13 über einen Spiegel 108, der für dieses Beispiel allerdings nicht notwendig ist, auf die Beugungsstruktur 102 geworfen, die von einem Lichtbundel 142 der ersten Beugungsordnung verlassen wird Dieses Lichtbündel 142 fällt dann auf einen Spiegel 144 mit einer Blendenöffnung 146, die nur ein Lichtbundel 148 verringerten Durchmessers durchläßt Da die Winkeldivergenz des Eingangsstrahls 140 bei Braggreflektion an der Beugungsstruktur 102 erhalten bleibt, hat das die Blende 146 verlassende Lichtbundel 148 wegen des kleineren Durchmessers ein kleineres Strahlprodukt als das einfallende Lichtbundel 140

Der nicht durch die Blende 146 fallende Teil des Lichtbundels 142 wird wieder zurückgeworfen und gelangt über Spiegel 150, 152, wieder auf die Beugungsstruktur 102, von der es erneut auf den Spiegel 144 gelangt und ein weiterer Teil verringerten Strahlprodukts die Einrichtung durch die Blendenöffnung 146 verläßt

Ferner ist im Strahlengang eine Einrichtung 154 vorgesehen, mit der das erneut auf die Blendenöffnung 146 geworfene Lichtbundel räumlich versetzt wird, so daß ein anderer Anteil des Lichtbundels 140 durch die Blende entweicht, also bei jedem Umlauf des ruckreflektierten Lichtbundels ein anderer Teil des Lichtbündels durch die Blendenöffnung 146 gelangen kann Im Ausfuhrungsbeispiel war die Einrichtung 154 eine 50% verspiegelte Zick- Zack- Glasstruktur, wie sie in Fig 13 auch zeichnerisch angedeutet ist

Insgesamt ist die Intensität des Lichtbundels, das aus der Blende 146 austritt, auch hier wesentlich größer als eines, dessen Strahlprodukt nur durch eine Blendenöffnung 146 verringert wurde

Bei dieser Beschreibung der Struktur von Fig 13 wurde allerdings vernachlässigt, daß ein Teil des Lichtes auch in entgegengesetzter Richtung des Lichtbundels 140 läuft Den dadurch erwarteten Lichtverlust kann man vermindern, indem der Einrichtung eine in eine Richtung reflektierende und in andere Richtung transmittierende Einrichtung vorgeschaltet wird, wie sie beispielsweise vorstehend anhand von Fig 10 eingehender diskutiert wurde Die Spiegelung dieser Struktur sollte dann in Richtung auf die Einrichtung von Fig 13 weisen und in Richtung auf diese voll transmittierend sein

Die dargestellten optisch isolierenden Einrichtungen müssen allerdings nicht unbedingt eine Beugungsstruktur 102 aufweisen Wie schon anhand der vorher dargestellten Beispiele deutlich geworden sein sollte, kommt es einzig und allein darauf an, daß ein Lichtbundel beidseitig einer Struktur in verschiedene Zweige gespalten wird und auf einer Seite der Strukturen eine Reflexion einer Vielzahl von Zweigen vorgesehen wird, dagegen die einzelnen Zweige auf der anderen Seite parallehsiert werden Deswegen gibt es auch eine einfache Ausfuhrungsform mit Hilfe von Spiegeln wie beispielhaft anhand der folgenden Figuren erläutert wird

Der in den Figuren 13 und 15 gezeigte beispielhafte Aufbau besteht aus einem nahezu 100% verspiegelten Spiegel 202, einem unter einem Winkel von 45%, dazu angeordneten Spiegel mit 50% Transmission 204 und einem weiteren Spiegel 206, der zu diesem teildurchlassigen Spiegel 204 parallel versetzt und unter gleichen Winkel zum Parallehsieren des vom teilreflektierenden Spiegel 204 geteilten Lichtstrahls angeordnet ist

Ein Lichtbundel 208, das von links in dieser Einrichtung einfällt, wird gemäß Fig 14 am teildurchlassigen Spiegel 204 aufgeteilt, wobei 50% durchgelassen werden Die restlichen reflektierten 50% werden über den Spiegel 206 bezüglich des durchgelassenen Lichtbundels 210 als Lichtbundel 212 mit 50% Lichtintensitat parallehsiert Es ist deutlich erkennbar, daß diese Anordnung 100% Transmission aufweist und eine eventuell gegebene Winkeldivergenz des einlaufenden Lichtbundels 208 im Ausgangsstrahl nicht verändert wird

In Fig 15 ist das gleiche Spiegelsystem wie in Fig 14 gezeigt Jedoch wird anhand dieser Figur erläutert, auf welche Weise ein Lichtbundel 220 beziehungsweise 220^' reflektiert beziehungsweise transmittiert wird Das von rechts kommende Lichtbundel 220, das zuerst auf den Spiegel 206 auftrifft, wird auf dem teildurchlassigen Spiegel 204 reflektiert und mit 50% Intensität nach links und mit 50% Intensität als Teillichtbundel 224 transmittiert Dort trifft das Lichtbundel 224 auf den vollreflektierenden Spiegel 202, der es als Teillichtbundel 226 wieder reflektiert Im Gegensatz zur Darstellung von Fig 15 hegen die Teillichtbundel 226 und 224 übereinander Hier sind jedoch beide getrennt gezeichnet, um den Sachverhalt klarer darstellen zu können

Das Teillichtbundel 226 gelangt so wieder auf den teildurchlassigen Spiegel 204, von dem die Hälfte, also 25% der gesamten Intensität, als Teillichtbundel 228 nach rechts reflektiert werden, während der gleiche Anteil durch den teildurchlassigen Spiegel 204 hindurchgeht, wieder auf den vollverspiegelten Spiegel 206 fällt und von dort aus als Lichtbundel 230 mit 25% der gesamten Intensität nach rechts reflektiert wird Insgesamt werden also 50% nach rechts reflektiert und 50% transmittiert, im Gegensatz zur Einstrahlung gemäß Fig 14, bei der kein Anteil reflektiert wird und 100% durchgelassen wurden

Das gleiche gilt auch für ein Lichtbundel 220^', das zuerst auf den teildurchlässigen Spiegel 204 gemäß Fig 15 fällt Die Aufteilung erfolgt analog dem Beispiel des Lichtbundels 220 Die entsprechenden Bezugszeichen für die gleiche Funktion wie beim Lichtbundel 220 sind für dieses Beispiel mit einem Strich versehen worden Es ist sofort erkennbar, daß auch hier insgesamt 50% nach rechts reflektiert werden, während 50% transmittiert werden

Das Beispiel verdeutlicht, daß auch mit Spiegeln unterschiedlichen Reflexionsgrads eine Richtungsunsymmetne bezüglich Transmissionen und Reflexion möglich ist, ähnlich wie bei den vorherigen Beispielen mit Beugung Insbesondere ist aber hervorzuheben, daß dieser Aufbau sehr einfach ist Im Prinzip kann man einen Isolator mit 50% Reflexion von rechts mit Hilfe eines 50% teildurchlassigen Spiegels 204 und eines vollreflektierenden Spiegels 206 aufbauen Bei Kaskadierung von zweien dieser Strukturen, wobei die zweiten Spiegel senkrecht zu der Ebenen gemäß Fig 14 oder Fig 15 angeordnet sind, erhält man ohne weitere Vergrößerung des Strahls in der in Fig 15 gezeigten Richtung des Eingangslichtbündels 220 schon einen Reflexionsgrad von 75% Bei nochmaliger Verdopplung der Strukturen ergibt sich bei 100% Transmission von links doch ein Reflexionsgrad von 15/16 von rechts, was für die folgenden Anwendungen im allgemeinen ausreicht

Diese Anordnung mit senkrecht zueinander angeordneten planen Spiegelstrukturen gemäß Fig 14 und 15 ist vor allem vorteilhaft für einen rechteckigen Strahl wie er zum Beispiel zur Beleuchtung von LCD oder DMD Matrixen zweckmäßig ist Man kann eine derartige Einrichtung aber auch axialsymmetrisch ausbilden, wie es beispielsweise in Fig 16 gezeigt ist, bei der die unterbrochene Linie 232 die Achse der Rotationsymmetrie kennzeichnet Die Spiegel 204 und 206 sind dann Kegel beziehungsweise Kegelstumpfe Man kann dann auf einen Spiegel 202 verzichten, da der Lichtstrahl bei Durchgang durch den Spiegel 204 aufgrund der Rotationsymmetrie auch ohne diese Spiegel wieder auf den Spiegel 204 fällt, wie aus Fig 16 deutlich erkennbar ist

Die Rotationsymmetrie hat noch einen weiteren Vorteil Wie von Linsensystemen und Spiegeisystemen bekannt ist, verringert sich die Strahldivergenz allgemein mit der Vergrößerung des Durchmessers Das heißt, ein aufgrund der Spiegel 204 und 206 bei Rotationsymmetrie auf größeren Durchmesser angehobenes Teillichtbundel weist eine bezuglich des einfallenden Strahls geringere Divergenz auf Das Strahlprodukt wird daher aufgrund der Aufweitung nicht wesentlich verändert Ein nachfolgendes Linsensystem, welches das vom Spiegel 206 kommende Lichtbundel verkleinert, jedoch das mittlere, beispielsweise vom Spiegel 204 kommende Licht aufgrund von Lochern im Zentrum des Linsensystems unbeeinflußt läßt, verändert das Strahlprodukt des transmittierten Strahles nur wenig, was derartige Strukturen sehr geeignet zur Kaskadierung macht, da das ausfallende Lichtbundel nur einen geringfügig vergrößerten Durchmesser gegenüber dem einfallenden Lichtbundel aufweist

Statt eine Kaskadierung vorzusehen, kann man aber auch verschiedene Reflexionsgrade und eine Vielzahl von Reflexionen zwischen den Spiegeln 204 und 206 vorsehen In Fig 17 ist beispielsweise ein System gezeigt, dessen Ausgangsstrahl gegenüber dem Eingangsstrahl einen nicht wesentlich vergrößerten Durchmesser aufweist, wobei der gesamte Reflexionsgrad 80% beträgt Dazu ist der Spiegel 204 stufig in gleichen Teilen mit 80% Reflexion, 75% Reflexion, 66% Reflexion, und 50% Reflexion aufgeteilt, was dazu fuhrt, daß jeweils der gleiche Anteil der stufig zwischen den Spiegeln 204 und 206 hin- und herreflektierten Lichtbundels, wie bei 240 gezeigt, durch den Spiegel 204 hindurch gelassen wird Ein afokales Linsensystem, das hier als Linsen 242 und 244 angedeutet ist, verringert den Strahldurchmesser wieder, so daß die Winkeldivergenz gleich der ursprünglichen Divergenz ist Das im Zentrum des Spiegels 204 hindurchgelassene Licht wird aufgrund von Löchern 246 und 248 in den Linsen 242 und 244 unbeeinflußt gelassen und hat deshalb ebenfalls die gleiche Strahldivergenz wie das einfallende Lichtbündel

Anhand von Fig 18 wird nun an einem Beispiel gezeigt, wie man die vorstehenden dargestellten optischen Isoliereinπchtungen einsetzen kann, um auf einfache Weise eine Vorrichtung zur Verbesserung des Strahlproduktes zu schaffen Diese Vorrichtung weist einen mit einer teilreflektierenden Schicht 95 bedampften Glaskegel, sowie einen mit einer spiegelte Innenschicht 97 versehenen Außenkegel 98 mit einer Öffnung der Blende 2 auf Ein in der Nähe der optischen Achse 1 einfallender Lichtstrahl 101 eines Lichtbundels wird nach Durchdringen der Teilverspiegelung durch die Öffnung der Blende 2 hindurchgehen Dagegen wird ein weit von dem optischen Achse 1 einfallender Lichtstrahl 103 nach Transmission durch die Schicht 95 zwischen Schicht 95 und 97 htn- und herreflektiert, bis es durch die Öffnung der Blende 2 ausfällt, wenn es nicht durch die teilreflektierende Schicht 95 wieder zurück in die Iso ereinπchtung reflektiert wird, wo es aufgrund des hohen Reflexionsgrads der Isoliereinrichtung jedoch zuruckreflektiert wird und wieder zwischen die beide Kegel 95 und 97 gelangt

Dieses Beispiel ist einfach aufgebaut, wird hier jedoch nur für Eingangshchtbundel geringer Strahldivergenz empfohlen Zum Erzeugen hochquahtativer Ausgangslichtbundel hat es sich dagegen als gunstiger erwiesen senkrecht zu optischen Achse 1 zwei orthogonale Koordinaten X und Y zu definieren und statt der Kegel 95 und 97 parallele Platten vorzusehen, die das einfallende Lichtbundel für jeweils eine der Koordinaten X oder Y in der dann als Schlitz ausgebildeten Öffnung der Blende 2 bundein Diese parallelen Platten werden dann für ein vollständiges Bundein beider Richtungskomponenten durch ein zweites paralleles Plattenpaar geführt, welche, das Lichtbundel nachfolgend in der anderen Richtung Y oder X komprimiert

Warum diese Art der Bündelung, getrennt in X und Y -Richtung, gunstiger als die radiale Bündelung ist, läßt sich anhand der Fig 19 einsichtig machen Diese zeigte 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 Lichtbundels mit einem auf die zur optischen Achse 1 senkrechten Ebene projizierten Richtungsvektor V1 durch die Schicht 95 durchgelassen wird, wird aufgrund der Reflexion zwischen den Schichten 95 und 97 zum Radius R2 gefuhrt Da der Radius R2 zum Radius R1 , wie zeichnerisch dargestellt dann im allgemeinen einen von Null verschiedenen Winkel aufweist, wird der jeweilige Richtungsvektor V2 am 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 Reflexionsvermogen der Spiegelschicht 95 und 97 immer kleiner als 1 ist, zu großem Intensitätsverlust fuhren 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 Platte eingesetzt werden Selbst die erhöhte Zahl von Reflexionen wegen des getrennten Bundeins in X und Y- Richtung fuhrt bei starker Verringerung des Strahlproduktes mit derartigen planparallelen Platten immer noch zu geringeren Verlusten, als das Beispiel mit den Kegelflächen Das Beispiel von Fig 19 hat allerdings für einen besonders kompakten Aufbau Vorteile und kann eingesetzt werden, wenn bei üblichen Winkeldivergenzen des einlaufenden Strahls nur eine Verringerung des Strahlproduktes zu einem 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 gunstigste Reduktionsfaktor für eine einzelne Stufe einer Kaskade abschätzen, wie im folgenden kurz ausgeführt wird

Sei s<1 der Reduktionsfaktor des Strahl Produktes 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 Winkelanderungen berücksichtigen zu müssen, eine Verringerung des Strahlproduktes von s Andererseits sind gemäß Fig 13 pro Stufe 2s Reflexionen notig, 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 Öffnung der Blende 2 zu gelangen Bei Vorliegen eines Reflexionsgrads r wird

4sm die Intensität dann statistisch auf r reduziert Um möglichst wenig Licht zu verlieren, sollte der

Faktor sm also möglichst gering gewählt werden

Bei vorgegebener Strahlproduktverringerung S=S gilt weiter die Beziehung

m= In (S)/In (s) Das Minimum von ms für den geringsten Verlust ist daher durch das Minimum der Funktion -s/In (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/In (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

Die Absorption aufgrund Hin- und Herreflektion zwischen den Spiegelfläche 95 und 97 trägt aber nicht als einziger Reduktionsfaktor zu einer Verringerung der Lichtleistung bei Wie aus den Fig 14, 15, und 16 deutlich wurde, wird ein einfallende Strahl bei unterschiedlichen Durchmessen zuruckreflektiert, so daß ein aus dem Spiegel 95 ausfallender Strahl mit hoher Wahrscheinlichkeit wieder in die Nähe der optischen Achse 1 gefuhrt wird, also auch durch diesen Effekt eine Bündelung stattfindet

Bei sehr kleiner Blende 2 ist es empfehlenswert noch eine weitere Verschiebung einzufügen, damit jedes Licht eine geeignet hohe Wahrscheinlichkeit hat, durch die Blende 2 zu fallen

Ein derartiges Ausfuhrungsbeispiel ist schematisch in Fig 20 dargestellt, wo die Einrichtung 15, die beispielsweise gemäß dem Beispiel von Fig 17 ausgeführt ist und in Fig 20 bei Betrachtung der Reflexionen von rechts als einfacher Spiegel betrachtet werden kann, von einer Zick- Zack förmig geschliffenen Glasplatte 154 gefolgt ist, die auf beiden Seiten teilverspiegelt ist Diese Verspiegelung bedeutet für einen auf diese Glasplatte 154 auftretenden Lichtstrahl 250 entweder einen Durchgang, der hier aber nicht betrachtet werden soll, oder eine statistisch verteilte Verschiebung aufgrund des Durchlaufens verschiedener Anteile reflektierender Schichten der Zick- Zack- Strukturen der Glasplatte 154, eine Ruckreflexion als Strahl 252 an unterschiedlichen Orten Das gleiche gilt natürlich auch für Rückreflexion von einem Spiegel 95 und 97, dergemäß ebenfalls eine Verschiebung aufgrund der Platte 154 erfolgt

Weiter ist im Beispiel von Fig 20 ein zusätzlicher teildurchlässiger Spiegel 95' angeordnet, der die Stufengroße der Hin- und Herreflektion in der Nähe der Blende 2 wesentlich verringert, wodurch ein weit von der optischen Achse 1 auf den Spiegel 97 auftretendes Lichtbundel größere Stufe hat als das in der Nähe der Öffnung der Blende 2, was die gesamte Zahl an Reflexionen zur Verringerung des Strahlproduktes und damit die Absorptionsverluste drastisch verringert

In Fig 21 ist ein weiteres Beispiel gezeigt, bei dem nicht nur der Durchmesser des Ausgangsstrahles, sondern auch die Winkeldivergenz verändert wird Auf der linken Seite den Linie 260 ist eine Isolatorstruktur angeordnet, wie sie beispielsweise schon anhand von Fig 17 beschrieben wurde Diese Isolatorstruktur ist um die optische Achse 1 rotationssymmetrisch ausgeführt Ein einfallendes Lichtbundel wird dadurch auf einem größeren Durchmesser angehoben, so daß auch die

Strahldivergenz verringert wird

Im Beispiel von Fig 21 ist ein einziges Spiegelsystem gezeigt, das nur eine 80%-tιge Reflexion der Lichtbundel von rechts zeigt Wird dazu noch in der Flache, die durch die Linie 260 bezeichnet ist, ein teildurchlässiger Spiegel mit 80% Reflexionsgrad eingesetzt, so ergibt dieser Spiegel zusammen mit der vorangehenden Isolatorstruktur insgesamt einen Spiegel mit 96% Reflexion der für das Zusammenfugen von Teilstrahlen durchaus ausreichend ist

Die Transmission von links ist dann allerdings nicht mehr 100%, sondern nur noch 80%, man kann diese erhöhen, indem man beispielsweise einen teildurchlassigen Spiegel geringeren Reflexionsgrads an der durch die Linie 260 bezeichneten Ebene anordnet oder indem man einen weiteren Isolator vorschaltet Mit einem teildurchlassigen Spiegel mit nur 50%-tιge Reflexion an der Linie 260 erreicht man schon 90% Transmission von links und 90% Reflexion von rechts

Der Reflexionsgrad wird weiter durch die Teilverspiegelung des Spiegels 95 auf der rechten Seite der an der Linie 260 gezeigten Struktur angehoben

Wie bei der Figur 18 schon diskutiert wurde, besteht die Struktur rechts von der Linie 260 aus planparallelen Platten, die das Licht stufenweise in einer X- Richtung bundein, die noch einmal von einem jedoch nicht gezeigten gleichen Satz planparalleler Platten in Y- Richtung gefolgt sind

Wie das gesamte System arbeitet, ist schon im Prinzip anhand der Figur 18 beschrieben worden Neu ist hier aber eine Struktur 264 zur Bündelung der Lichtbundel auf eine verkleinerte Öffnung der Blende 2, ohne daß man dabei von einer Gitterstruktur in Art der Glasplatte 254, wie sie beispielsweise in Fig 20 gezeigt ist, Gebrauch machen muß Diese Struktur 264 besteht aus mehreren teilverspiegelten Spiegeln 266 Das Licht, das nicht zwischen die Platten 95' und 97 durch die Öffnung der Blende 2 fallen kann, wird durch die teilverspiegelten Spiegel 266 auf Spiegel 267 gelenkt, die das Lichtbundel dann direkt in den Zwischenraum zwischen den Spiegel 95^' und 97 fuhren, von wo sie dann aus in die Blende 2 geleitet werden

Es ist weiter eine Spiegelfläche 268 vorgesehen, die Lichtbundel aus Richtung des optischen Isolators in der Nähe der optischen Achse 1 in den Zwischenraum zwischen den teilverspiegelten Spiegelfläche 95 und die Spiegelfläche 97 fuhrt, um diese ebenfalls zu der Öffnung der Blende 2 zu leiten

Wie der Fachmann sogleich erkennt, ist die Struktur hier nicht vollständig gezeigt worden, sondern nur einseitig der optischen Achse 1 dargestellt, und muß im Prinzip nach unten bezüglich der Fig 21 symmetrisch fortgesetzt werden Bei der in Fig 21 gezeigten Vorrichtung ist besonders interessant, daß das aus der Blendenöffnung 2 herauslaufende Lichtbundel nicht nur einen kleineren Durchmesser als der Eingangsstrahl hat, sondern auch daß die Divergenz verringert ist Die Verringerung der Divergenz ist auf die

Vergrößerung des Durchmessers durch die rotationssymmetrische Ausfuhrung der Spiegelflächen 204 und 206 zurückzuführen, die durch die planparallelen Spiegelflächen 95 und 97, die den Winkel eines Lichtstrahls unverändert lassen, erhalten bleibt Es läßt sich leicht aus den

Größenverhältnissen von Fig 21 abschätzen, daß eine Strahlverbesserung um einen Faktor 5 bezuglich des Durchmessers sowie einen Faktor 5 bezüglich der Divergenz erreicht wird So sieht man leicht ein, daß mit relativ einfachen Strukturen, wie sie schematisch in Fig 21 gezeigt sind, Strahtproduktverbesserungen in einer Größenordnung 1/20 bis 1/30 erzeugt werden können

Es ist auch deutlich geworden, daß bei Präzisionsspiegeln und spezieller Ausrichtung, durchaus Einrichtungen für eine Strahlproduktverbesserung von 1000 bei einer Kaskadierung von Vorrichtungen gemäß Fig 20 oder 21 möglich sind, beispielsweise mit zwei Kaskaden mit jeweils einer Strahlproduktverbesserung um einen Faktor 30, so daß man mit herkömmlichem Licht im Eingang durchaus Strahlprodukte erreichen kann, wie sie bisher ausschließlich mit Lasern erzeugt werden konnten Jedoch lassen sich mit Standardhchtquellen gegenüber Lasern auch inkohärente hochparallele Lichtstrahlen erzeugen

Der Vorteil der fehlenden Kohärenz besteht im wesentlich dann, daß eine derartige Quelle mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung breitbandig ist, sie also keine störenden Speckle verursacht, was derartige Quellen vor allen Dingen für Beleuchtungszwecke interessant machen Aufgrund der Absorption an den Spiegeln entstehen allerdings Leistungsverluste Diese Nachteile sind jedoch auch bei Lasern vorhanden, wo von der anfänglichen Pumpleistung nur ein kleiner Teil in Nutzleistung übergeführt werden kann

Der Einsatz einer derartigen Quelle mit Vorrichtung aufgrund der mit Lasern verglichenen kleineren Kohärenzlänge ist insbesondere bei tiefenaufgelösten Meßverfahren, wie beispielsweise der optischen Interferenzthomographie, bei der die Interferenzfähigkeit eines reflektierten Strahles mit einem Referenzstrahl meßtechnisch erfaßt wird, vorteilhaft, da wegen der kleineren Kohärenzlänge auch eine verbesserte Tiefeninformation möglich ist

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

Für die vorstehend angegebenen Beispiele sind verschiedenste Änderungen und Verbesserung möglich Insbesondere können die hier beispielhaft genannten Linsen auch komplexere optische

Systeme sein, wobei die Positionen der Linsen dann durch die Hauptebenen gegeben sind und sich die angegebenen Koordinaten entsprechend dem jeweiligen Abstand zwischen den Hauptebenen verschieben. Weiter wurden die angegebenen Vorrichtungen mit Isolatoren vorhergehend mit einer

Neigung der Spiegelebenen von 45% angegeben. Auch von diesem Wert kann man in großem Maß abweichen. Dieser Wert ist nur beispielhaft zu verstehen. Um Polarisationsunabhängigkeit zu erreichen, ist es sogar empfehlenswert, wesentlich steilere Winkel zu verwenden.

Claims

Ansprüche

1. Vorrichtung zur Verbesserung des Strahlproduktes eines einfallenden Stammlichtbundels (3) oder eines Stammlichtfachers (3') mit einer Blendenöffnung (2), die nur ein Ausgangslichtbundel oder einen Ausgangslichtfächer (3") mit verringertem Strahlprodukt durchläßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Blendenöffnung (2) von einer ersten Spiegelfläche umgeben oder in einer ersten Spiegelfläche (6; 62; 97) ausgebildet ist und ein optisches System vorgesehen ist, zu dem die Spiegelfläche (6; 62; 97) das nicht durch die Blendenöffnung (2) fallende Licht des Stammlichtbundels (3) oder des Stammlichtfachers (3') reflektiert, und dieses optische System dieses Licht wieder in das einfallende Stammlichtbündel (3) oder den Stammlichtfacher (3') verändert, insbesondere mit einem anderen Winkel, verschoben zu diesem und/oder vergrößert oder verkleinert, einleitet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß eine optische Struktur vorgesehen ist, mit der Licht aus einer Lichtquelle in die Vorrichtung eingekoppelt wird, wobei diese Struktur in einer Richtung eine Transmission größer als 50% und einen Reflexionsgrad kleiner als 50% aufweist und in entgegengesetzter Richtung eine Transmission kleiner als 50% und einen Reflexionsgrad größer als 50% aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Struktur eine

Einrichtung (15) mit einem Element ist, das ein auftreffendes Lichtbündel in mindestens zwei Komponenten aufspaltet, wobei diese Aufteilung statistisch erfolgt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (15) Spiegel

(108; 109; 110; 112; 204; 206) aufweist, die bei Lichtdurchgang durch die Struktur in einer Richtung die Komponenten parallehsieren und bei Lichtdurchgang durch die Struktur mindestens eine Komponente in entgegengesetzter Richtung zurückreflektieren.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Element der Einrichtung

(15) ein teildurchlässiger Spiegel (204) ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Element der Einrichtung

(15) eine beugende Struktur (102) ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beugende Struktur (102) in der Einrichtung (15) ein Gitter ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beugende Struktur (102) in der Einrichtung (15) ein Hologramm ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in der

Einrichtung (15) vor und nach der beugenden Struktur (102) je ein dispersives Element (122; 124) vorgesehen ist, mit dem die Wellenlängenabhängigkeit der Beugungsstruktur in einem definierten Wellenlängenbereich verringerbar ist.

10 Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein afokales Linsensystem (242; 244) vorgesehen ist, mit dem das die Einrichtung (15) verlassende Lichtbündel auf denselben Durchmesser wie das in die Einrichtung (15) eintretende Lichtbündel anpaßbar ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hohlspiegel (58) oder eine Linse zum Fokussieren eines Lichtbündels auf die Blendenöffnung (2) vorgesehen ist.

12 Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, daß das Stammlichtbündel (3) oder der Stammlichtfacher (3') auf einer optischen Achse (1) in einer durch das Strahlprodukt gegebenen Fokalfläche minimaler Ausdehnung fokussiert sind und die erste Spiegelfläche (6; 62) als Hohlspiegel (24; 6; 56) ausgebildet ist, aufgrund dessen eine Fokalfläche des durch das optische System rückgeworfenen Lichts auf der optischen Achse (1) gegenüber der Fokalfläche des fokussierten Stammlichtbundels (3) oder des Stammlichtfachers (3') verschoben ist.

13. Vorrichtung nach einem der beiden Ansprüche 1 bis 12, 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.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Stammlichtbündel (3) oder der Stammlichtfacher (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.

15. Vorrichtung nach Anspruch 5, 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.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, 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 beabstanded zu dessen Brennpunkt (35) abbildet.

17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß der mit der Blendenöffnung (2) versehene Hohlspiegel (24; 6; 56) konvex ist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lichtquelle durch ein sich längs der optischen Achse (1) erstreckendes, insbesondere durch eine Wendel, eine Leuchtdiode oder einen Lichtbogen, gebildetes Leuchtvolumen zur Erzeugung des Stammlichtfachers (3') 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.

19. Kaskade von Vorrichtungen nach den Ansprüchen 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß eine jede bis auf die letzte der Vorrichtungen ein Lichtbündel (3) in die nachfolgende emittiert.

20. Kaskade von Vorrichtungen nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen mindestens zweien der Vorrichtungen ein optisches System zur Anpassung der Ein- und Ausfallbedingungen dieser Vorrichtungen des Lichtbündels (3) vorgesehen ist.

21. Kaskade von Vorrichtungen nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Vorrichtung fokussierend und die letzte Vorrichtung parallelisierend ausgebildet ist.

22. Verwendung der Einrichtung (15) nach Anspruch 2 als optischer Isolator.