EP1836512A1 - Beam splitter arrangement - Google Patents

Beam splitter arrangement

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Publication number
EP1836512A1
EP1836512A1 EP05700685A EP05700685A EP1836512A1 EP 1836512 A1 EP1836512 A1 EP 1836512A1 EP 05700685 A EP05700685 A EP 05700685A EP 05700685 A EP05700685 A EP 05700685A EP 1836512 A1 EP1836512 A1 EP 1836512A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
lens elements
beam splitter
optical array
optical
cylindrical lens
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP05700685A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Dr. Wieland Hill
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Focuslight Germany GmbH
Original Assignee
Limo Patentverwaltung GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Limo Patentverwaltung GmbH and Co KG filed Critical Limo Patentverwaltung GmbH and Co KG
Publication of EP1836512A1 publication Critical patent/EP1836512A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/09Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
    • G02B27/0905Dividing and/or superposing multiple light beams
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/09Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
    • G02B27/0938Using specific optical elements
    • G02B27/095Refractive optical elements
    • G02B27/0955Lenses
    • G02B27/0961Lens arrays
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/09Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
    • G02B27/0938Using specific optical elements
    • G02B27/0977Reflective elements
    • G02B27/0983Reflective elements being curved

Definitions

  • the present invention relates to a beam splitter arrangement comprising at least one beam splitter means suitable for splitting a light beam into a plurality of sub-beams.
  • Beam splitter arrangements of the type mentioned in various embodiments are already known from the prior art.
  • a light beam can be split into two sub-beams with the aid of a partially transmissive mirror, which can be used as a beam splitting means.
  • a partially transmissive mirror which can be used as a beam splitting means.
  • a corresponding number of partially transparent mirrors are required as beam splitter means. So that the radiation power can be divided as precisely as possible on the individual partial beams, very high-quality and precise mirror coatings are required.
  • beam splitter arrangements which work with polarization optics or with mirrors partially introduced into the beam path. Such beam splitter arrangements also require very many individual components to produce a large number of partial beams.
  • diffractive beam splitting means In order to be able to produce a large number of sub-beams with relatively few individual optical components, so-called diffractive beam splitting means have been developed.
  • An example of this diffractive Beam splitter is shown in the magazine "Laser Focus World” (12/2003, pp. 73 to 75) .
  • These components which are very complex in their design and manufacture, can disperse a light beam very uniformly and precisely into a large number of partial beams
  • the diffractive beam splitting means known from the prior art consists, inter alia, in their efficiency being of the order of only about 80%, since substantial portions of the primarily incident light are lost by scattering and diffraction into higher orders Beam splitting agents can reduce their durability and service life, especially at higher light intensities.
  • Object of the present invention is to provide a beam splitter assembly of the type mentioned, which is simple and therefore inexpensive to produce and allows a relatively uniform distribution of light or other electromagnetic radiation in a plurality of partial beams with low losses.
  • the beam splitter means comprise at least one first and at least one second optical array, which are spaced apart from one another and have a plurality of optically functional elements, wherein an optically functional element of the second optical array is an integer multiple of optically functional elements of the first optical array Arrays is assigned.
  • a light beam striking the beam splitter arrangement is split into a plurality of individual partial beams, the number of partial beams generated being determined, inter alia, by the number of optically functional elements of the partial beam first optical arrays, which are each associated with an optically functional elements of the second optical array depends.
  • the diameters of the optically functional elements of the first optical array may be smaller than the diameters of the optically functional elements of the second optical array. It is also possible to fulfill the assignment condition in another way, for example by a special shaping of the optically functional elements of the optical arrays.
  • the optically functional elements of the optical arrays are lens elements.
  • Optical arrays with lens elements can be produced relatively easily and thus cost-effectively with high precision.
  • a light beam striking the beam splitter arrangement can be decomposed with the aid of the lens elements of the first optical array into a plurality of partial beams which are imaged into a focal plane of the lens elements of the first optical array.
  • the second optical array which also has lens elements, is then used as Fourier optics. In the far field of each individual lens element of the second optical array, an angular distribution of the light intensity is then generated which corresponds to the intensity distribution in the focal plane of this corresponding lens element in front of the second optical array.
  • the optical arrays are arranged such that the lens elements of the second optical array and their associated lens elements of the first optical array have common focal planes. In this way, partial beams with low divergence and different Propagation angles are generated in the far field of the second optical array.
  • At least a part of the lens elements is convex.
  • the distribution of a light beam incident on the beam splitter arrangement into a plurality of partial beams can take place at least partially real.
  • At least a portion of the lens elements may be concave. Then, the division of a falling on the beam splitter assembly light beam into a plurality of partial beams at least partially made virtually.
  • the lens elements of at least one of the optical arrays may in a preferred embodiment be spherical lens elements.
  • the lens elements of at least one of the optical arrays are cylindrical lens elements.
  • lens elements with any other lens shapes in the optical arrays.
  • surface-filling optical arrays are generally particularly advantageous for the highest possible efficiency of the beam splitter arrangement.
  • rectangular or hexagonal lens elements can be used.
  • At least one of the optical arrays on opposite sides comprises first and second cylindrical lens elements, wherein the cylinder axes of the first cylindrical lens elements on a rear side of the at least one of the optical arrays are parallel to each other and perpendicular to the cylinder axes of the second Cylinder lens elements are oriented on a front side of the at least one of the optical array.
  • Such cylindrical lens arrays, the cylindrical lens elements of which have mutually perpendicular cylindrical axes on opposite sides are particularly suitable for a decomposition of a light beam impinging on the beam splitter arrangement into a two-dimensional arrangement of partial beams.
  • the beam splitter arrangement has at least one lens means, which is arranged in the beam path of the beam splitter arrangement behind the second optical array and is suitable for focusing the partial beams into a focal plane.
  • the lens means performs a second Fourier transform of the sub-beams passing through the lens means. The now two-fold Fourier transformation by means of the second optical array and the lens means causes the partial beams are imaged in a focal plane behind the lens means. In this way, for example, a dot pattern can be generated in the focal plane of the lens means.
  • the lens means may be preferably spherical.
  • the optically functional elements of at least one of the optical arrays may be mirrors.
  • Mirror arrays provide comparable results and are particularly advantageous if the electromagnetic radiation impinging on the beam splitter arrangement is attenuated or not sufficiently refracted during transmission through lens elements.
  • Fig. 1 is a schematic side view of a
  • Beam splitter assembly according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a plan view of the beam splitter assembly of FIG. 1;
  • 3a shows a schematically simplified representation of a first and second optical array of the beam splitter arrangement according to FIG. 1 and FIG. 2 as well as the dot pattern generated with the beam splitter arrangement;
  • 3b shows a schematically simplified representation of a first alternative variant of the optical arrays of the beam splitter arrangement and the dot pattern generated
  • 3b shows a schematically simplified representation of a second alternative variant of the optical arrays of the beam splitter arrangement and the dot pattern generated
  • Fig. 4 is a schematic side view of a
  • Beam splitter arrangement according to a second embodiment of the present invention.
  • FIGS. 1 and 2 there are shown two views of a beam splitter assembly according to a first embodiment of the present invention.
  • Fig. 1 shows a schematic side view
  • Fig. 2 a Planar view of the beam splitter arrangement according to FIG. 1.
  • Cartesian coordinate systems are shown in FIGS. 1 and 2.
  • the beam splitter arrangement comprises a first optical array 1, which has on its rear side a plurality of convexly shaped first cylindrical lens elements 10a-12c (see FIG. 1) and on its front side a plurality of convexly shaped second cylindrical lens elements 13a-15c (see FIG. 2).
  • a first optical array 1 which has on its rear side a plurality of convexly shaped first cylindrical lens elements 10a-12c (see FIG. 1) and on its front side a plurality of convexly shaped second cylindrical lens elements 13a-15c (see FIG. 2).
  • at least a part of the first and second cylindrical lens elements 10a-12c, 13a-15c of the first optical array 1 can also be made concave.
  • the first and second cylindrical lens elements 10a-12c, 13a-15c in this embodiment have largely identical diameters and curvatures.
  • the cylinder axes of the first cylindrical lens elements 10a-12c on the rear side of the first optical array 1 each extend substantially parallel to each other and substantially perpendicular to the cylinder axes of the second cylindrical lens elements 13a-15c, which are also substantially mutually parallel, on the front side of the first optical arrays 1 are oriented.
  • any shape and arrangement of the lens elements in the first optical array 1 is possible.
  • spherical lens elements can also be used.
  • a second optical array 2 is arranged behind the first optical array 1.
  • This second optical array 2 also has on its rear side a plurality of convexly shaped first cylindrical lens elements 20a-20c whose cylinder axes extend substantially parallel to one another.
  • the second optical array 2 On its front side, the second optical array 2 a plurality of convexly shaped second cylindrical lens elements 21a-21c, the cylinder axes of which are likewise oriented substantially parallel to one another and perpendicular to the cylinder axes of the first cylindrical lens elements 20a-20c.
  • at least a portion of the cylindrical lens elements 20a-20c, 21a-21c of the second optical array 2 may be concave.
  • differently shaped and differently arranged lens elements can be used in the second optical array 2.
  • the diameters of the first and second cylindrical lens elements 20a-20c, 21a-21c of the second cylindrical lens array 2 in this embodiment are larger than the diameters of the first and second cylindrical lens elements 10a-12c, 13a-15c of the first optical array 1.
  • the diameters of the comparatively small cylindrical lens elements 10a-12c, 13a-15c of the first optical array 1 may, for example, be on the order of 0.1 to 1 mm.
  • the cylindrical lens elements 20a-20c on the rear side of the second optical array 2 are assigned exactly three of the first cylindrical lens elements 10a-12c on the rear side of the first optical array 1.
  • the cylindrical lens elements 20 a of the second optical array 2 are assigned the cylindrical lens elements 10 a, 10 b, 10 c of the first optical array 1.
  • the cylindrical lens element 20b, to which the cylindrical lens elements 11a, 11b, 11c of the first optical array 1 are assigned and for the cylindrical lens element 20c, to which the cylindrical lens elements 12a, 12b, 12c of the first optical array 1 are assigned.
  • each one of the second Cylinder lens elements 21 a - 21 c on the front of the second cylindrical lens array 2 are assigned exactly three of the second cylindrical lens elements 13 a - 15 c on the front side of the first cylindrical lens array 1.
  • the cylindrical lens element 21 a of the second optical array 2 the cylindrical lens elements 13 a, 13 b, 13 c of the first optical array 1 are assigned to the cylindrical lens element.
  • the cylindrical lens element 21b, to which the cylindrical lens elements 14a, 14b, 14c of the first optical array 1 are assigned and to the cylindrical lens element 21c, to which the cylindrical lens elements 15a, 15b, 15c of the first optical array 1 are assigned.
  • the ratio of the total number of lens elements of the first optical array 1 to the total number of lens elements of the second optical array 2 is an integer.
  • the beam splitter arrangement has a lens means 3, which in this embodiment is spherical and arranged in the z direction (beam propagation direction) behind the second optical array 2.
  • An essentially parallel light beam which impinges on the beam splitter arrangement shown in FIGS. 1 and 2 is first decomposed into a plurality of partial beams by means of the first optical array 1.
  • the division of the light beam into a plurality of partial beams is real in the embodiment shown here, since both the cylindrical lens elements 10a - 12c, 13a - 15c of the first optical array 1 and the cylindrical lens elements 20a - 20c, 21 a - 21 c of the second optical array 2 are each made convex.
  • first cylindrical lens elements 10a-12c on the rear side of the first optical array 1 have substantially identical geometrical (diameter and curvature) and optical properties, all the first cylindrical lens elements 10a-12c each have a common focal plane at a distance fi behind the first optical array 1 (see Fig. 1).
  • the first and second cylindrical lens elements 20a-20c, 21a-21c of the second optical array 2 also each have common focal planes in front of the second optical array 2.
  • the common focal plane of the first cylindrical lens elements 20a can be seen in FIG. 1
  • the second optical array 2 is thus arranged in the embodiment shown here so that the focal plane of the first cylindrical lens elements 20a-20c of the second optical array 2 coincides with the focal plane of the first cylindrical lens elements 10a-12c of the first optical array.
  • the focal plane of the second cylindrical lens elements 21a-21c of the second optical array 2 coincides with the focal plane of the second cylindrical lens elements 10a-12 of the first optical array 1.
  • the second optical array 2 serves as shown here Beam splitter arrangement as Fourier optics and is used for a first Fourier transform of the partial beams.
  • the lens means 3 which is arranged in the z-direction behind the second optical array 2, effects a second Fourier transformation of the partial beams. Due to the double Fourier transformation using the second optical array 2 and the lens means 3, the intensity distribution in the focal planes of the first and second cylindrical lens elements 20a-20c, 21a-21c of the second optical array 2 into a focal plane of the lens means 3 at a distance f 3 imaged by the lens means 3 and averaged over the individual apertures of the first and second cylindrical lens elements 20a - 20c, 21 a - 21 c.
  • the periodic arrangement causes the first and second cylindrical lens elements 10a - 12c, 13a - 15c of the first cylindrical lens array 1 that in the focal planes of the first and second cylindrical lens elements 20a - 20c, 21 a - 21 c of the second cylindrical lens array 2 very similar intensity distributions can be generated.
  • a dot pattern can be generated which the average intensity pattern in the focal points of the first and second cylindrical lens elements 10a - 12c, 13a - 15c of the first optical array 1 before each one of the first and second cylindrical lens elements 20a-20c, 21a-21c of the second optical array 2.
  • a dot pattern with a relatively homogeneous intensity distribution is produced in the focal plane of the lens means 3, which has a total of nine pixels P1 - P9. This dot pattern is shown in Fig. 3a.
  • FIGS. 3a, 3b, 3c different optical arrays 1, 2, which can be used in the beam splitter arrangement shown in FIG. 1 and FIG. 2, as well as the resulting dot patterns in the focal plane of the lens means 3, are shown in a greatly simplified manner.
  • the dot pattern shown in Fig. 3a with a total of nine pixels P1 - P9 can be generated directly with the beam splitter arrangement described in detail above.
  • an optical array 1 having two first cylindrical lens elements on the rear side and four second cylindrical lens elements on the front side, which are respectively assigned to one of the first and second cylindrical lens elements 20a-20c, 21a-21c of the second optical array 2, is used , one obtains a total of eight pixels in the focal plane of the lens means 3.
  • An optical array 1 with cylindrical lens elements whose cylinder axes are offset from one another on the front or rear side or an optical array with lens elements having hexagonal apertures produces the dot pattern shown in FIG. 3c with a total of six mutually offset pixels in the focal plane of FIG Lens means 3.
  • the number of resulting pixels and their spatial distribution can be varied. This can be over, for example the shape and arrangement of the apertures of the lens elements used in the two optical arrays 1, 2 selectively vary the number of pixels generated with the aid of the beam splitter arrangement.
  • Fig. 4 shows schematically the beam path of a second embodiment of the present invention.
  • the first optical array 1 which has a plurality of first convex-shaped cylindrical lens elements 10a on its rear side.
  • a second optical array 2 is arranged, which has on its rear side a plurality of convexly shaped first cylindrical lens elements 20a.
  • the diameters of the first cylindrical lens elements 20a of the second optical array 2 are again larger than the diameters of the first cylindrical lens elements 10a of the first optical array 1.
  • the diameters of the first cylindrical lens elements 10a of the first optical array 1 can be of the order of 0, for example , 1 to 1 mm.
  • first cylindrical lens elements 10a of the first optical array 1 are assigned to exactly one of the first cylindrical lens elements 20a of the second optical array 2.
  • the optical arrays 1, 2 may also have second cylindrical lens elements on their front sides, the cylinder axes of which may be oriented substantially parallel to one another and perpendicular to the cylinder axes of the first cylinder lens elements 10a, 20a on the rear sides of the optical arrays 1, 2.
  • the intensity distributions in the focal plane of the first cylindrical lens elements 20a of the second optical array 2 to be very similar.
  • the first cylindrical lens elements 20a of the second optical array 2 therefore produce very similar far fields, so that the intensity distribution in the far field is substantially independent of the illumination of the is independent of the beam profile of the incident on the beam splitter assembly light beam. If, as shown in FIG.
  • the focal planes of the first cylindrical lens elements 10a, 20a of the two optical arrays 1, 2 coincide, small focal spots are produced in this focal plane which lead to a corresponding number of individual beams with low divergence and different propagation angles in the far field. This results in a relatively uniform and, moreover, efficient beam splitting.

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Abstract

The invention relates to a beam splitter arrangement comprising at least one beam splitting means, which is suited for splitting a light beam into a number of partial beams. To this end, the beam splitting means comprises at least one first and at least one second optical array (1, 2), which are situated at a distance from one another and which have a number of optically functional elements. A whole multiple of optically functional elements of the first optical array (1) is assigned to each optically functional element of the second optical array (2).

Description

"Strahlteileranordnung" "Beam splitter arrangement"
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Strahlteileranordnung, umfassend mindestens ein Strahlteilermittel, das für eine Zerlegung eines Lichtstrahls in eine Mehrzahl von Teilstrahlen geeignet ist.The present invention relates to a beam splitter arrangement comprising at least one beam splitter means suitable for splitting a light beam into a plurality of sub-beams.
Aus dem Stand der Technik sind Strahlteileranordnungen der eingangs genannten Art in verschiedenen Ausführungsformen bereits bekannt. Beispielsweise kann ein Lichtstrahl mit Hilfe eines teildurchlässigen Spiegels, der als Strahlteilermittel verwendet werden kann, in zwei Teilstrahlen zerlegt werden. Um eine große Zahl von Teilstrahlen generieren zu können, werden entsprechend viele teildurchlässige Spiegel als Strahlteilermittel benötigt. Damit die Strahlungsleistung möglichst exakt auf die einzelnen Teilstrahlen aufgeteilt werden kann, sind sehr hochwertige und präzise Spiegelbeschichtungen erforderlich. Ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannt sind Strahlteileranordnungen, die mit Polarisationsoptiken oder mit teilweise in den Strahlengang eingebrachten Spiegeln arbeiten. Derartige Strahlteileranordnungen benötigen ebenfalls sehr viele Einzelkomponenten zur Erzeugung einer großen Zahl von Teilstrahlen.Beam splitter arrangements of the type mentioned in various embodiments are already known from the prior art. For example, a light beam can be split into two sub-beams with the aid of a partially transmissive mirror, which can be used as a beam splitting means. In order to be able to generate a large number of partial beams, a corresponding number of partially transparent mirrors are required as beam splitter means. So that the radiation power can be divided as precisely as possible on the individual partial beams, very high-quality and precise mirror coatings are required. Also known from the prior art are beam splitter arrangements which work with polarization optics or with mirrors partially introduced into the beam path. Such beam splitter arrangements also require very many individual components to produce a large number of partial beams.
Wichtige technische Anwendungen wie zum Beispiel das simultane Laser-Bohren von Werkstücken oder das Vermessen von Proben- Arrays mit Hilfe von Laserstrahlen erfordern die Aufteilung eines primären Laserstrahls in eine Vielzahl von Teilstrahlen. Dieses ist mit den oben beschriebenen Strahlteilermitteln nur mit einem sehr hohen Aufwand realisierbar.Important technical applications such as the simultaneous laser drilling of workpieces or the measurement of sample arrays with the aid of laser beams require the splitting of a primary laser beam into a multiplicity of partial beams. This can be achieved with the beam splitter means described above only with a very high cost.
Um sehr viele Teilstrahlen mit relativ wenigen optischen Einzelkomponenten erzeugen zu können, sind so genannte diffraktive Strahlteilermittel entwickelt worden. Ein Beispiel für diese diffraktiven Strahlteilermittel ist in der Zeitschrift „Laser Focus World" (12/2003, S. 73 bis 75) gezeigt. Diese in ihrem Design und in ihrer Herstellung sehr aufwändigen Bauteile können einen Lichtstrahl sehr gleichmäßig und präzise in eine Vielzahl von Teilstrahlen zerlegen. Ein Nachteil der aus dem Stand der Technik bekannten diffraktiven Strahlteilermittel besteht unter anderem darin, dass ihre Effizienz nur in einer Größenordnung von etwa 80 % liegt, da wesentliche Anteile des primär eingestrahlten Lichts durch Streuung und Beugung in höhere Ordnungen verloren gehen. Die vergleichsweise scharfen Strukturen der diffraktiven Strahlteilermittel können insbesondere bei höheren Lichtintensitäten die Haltbarkeit und Lebensdauer verringern.In order to be able to produce a large number of sub-beams with relatively few individual optical components, so-called diffractive beam splitting means have been developed. An example of this diffractive Beam splitter is shown in the magazine "Laser Focus World" (12/2003, pp. 73 to 75) .These components, which are very complex in their design and manufacture, can disperse a light beam very uniformly and precisely into a large number of partial beams The diffractive beam splitting means known from the prior art consists, inter alia, in their efficiency being of the order of only about 80%, since substantial portions of the primarily incident light are lost by scattering and diffraction into higher orders Beam splitting agents can reduce their durability and service life, especially at higher light intensities.
Hier setzt die vorliegende Erfindung an.This is where the present invention begins.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Strahlteileranordnung der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, die einfach und damit kostengünstig herstellbar ist und eine relativ gleichmäßige Aufteilung von Licht oder anderer elektromagnetischer Strahlung in eine Mehrzahl von Teilstrahlen bei geringen Verlusten ermöglicht.Object of the present invention is to provide a beam splitter assembly of the type mentioned, which is simple and therefore inexpensive to produce and allows a relatively uniform distribution of light or other electromagnetic radiation in a plurality of partial beams with low losses.
Diese Aufgabe wird durch eine Strahlteileranordnung der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass das Strahlteilermittel mindestens ein erstes und mindestens ein zweites optisches Array umfasst, die voneinander beabstandet sind und eine Mehrzahl optisch funktionaler Elemente aufweisen, wobei jeweils einem optisch funktionalen Element des zweiten optischen Arrays ein ganzzahliges Vielfaches von optisch funktionalen Elementen des ersten optischen Arrays zugeordnet ist. Dadurch wird ein auf die Strahlteileranordnung treffender Lichtstrahl in eine Mehrzahl einzelner Teilstrahlen zerlegt, wobei die Anzahl der generierten Teilstrahlen unter anderem von der Anzahl der optisch funktionalen Elemente des ersten optischen Arrays, die jeweils einem optisch funktionalen Elemente des zweiten optischen Arrays zugeordnet sind, abhängt. Um diese Zuordnungsbedingung erfüllen zu können, können die Durchmesser der optisch funktionalen Elemente des ersten optischen Arrays kleiner sein als die Durchmesser der optisch funktionalen Elemente des zweiten optischen Arrays. Es ist auch möglich, die Zuordnungsbedingung auf andere Weise, beispielsweise durch eine besondere Formung der optisch funktionalen Elemente der optischen Arrays, zu erfüllen.This object is achieved by a beam splitter arrangement of the type mentioned above with the characterizing features of claim 1. According to the invention, it is proposed that the beam splitter means comprise at least one first and at least one second optical array, which are spaced apart from one another and have a plurality of optically functional elements, wherein an optically functional element of the second optical array is an integer multiple of optically functional elements of the first optical array Arrays is assigned. As a result, a light beam striking the beam splitter arrangement is split into a plurality of individual partial beams, the number of partial beams generated being determined, inter alia, by the number of optically functional elements of the partial beam first optical arrays, which are each associated with an optically functional elements of the second optical array depends. In order to be able to fulfill this assignment condition, the diameters of the optically functional elements of the first optical array may be smaller than the diameters of the optically functional elements of the second optical array. It is also possible to fulfill the assignment condition in another way, for example by a special shaping of the optically functional elements of the optical arrays.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die optisch funktionalen Elemente der optischen Arrays Linsenelemente. Optische Arrays mit Linsenelementen lassen sich mit hoher Präzision relativ einfach und damit kostengünstig herstellen. Ein auf die Strahlteileranordnung treffender Lichtstrahl kann in dieser Ausführungsform mit Hilfe der Linsenelemente des ersten optischen Arrays in eine Mehrzahl von Teilstrahlen zerlegt werden, die in eine Brennebene der Linsenelemente des ersten optischen Arrays abgebildet werden. Das zweite optische Array, welches ebenfalls Linsenelemente aufweist, wird dann als Fourier-Optik eingesetzt. Im Fernfeld jedes einzelnen Linsenelements des zweiten optischen Arrays wird dann eine Winkelverteilung der Lichtintensität generiert, welche der Intensitätsverteilung in der Brennebene dieses entsprechenden Linsenelements vor dem zweiten optischen Array entspricht.In a particularly preferred embodiment, the optically functional elements of the optical arrays are lens elements. Optical arrays with lens elements can be produced relatively easily and thus cost-effectively with high precision. In this embodiment, a light beam striking the beam splitter arrangement can be decomposed with the aid of the lens elements of the first optical array into a plurality of partial beams which are imaged into a focal plane of the lens elements of the first optical array. The second optical array, which also has lens elements, is then used as Fourier optics. In the far field of each individual lens element of the second optical array, an angular distribution of the light intensity is then generated which corresponds to the intensity distribution in the focal plane of this corresponding lens element in front of the second optical array.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass die optischen Arrays so angeordnet sind, dass die Linsenelemente des zweiten optischen Arrays und die ihnen zugeordneten Linsenelemente des ersten optischen Arrays gemeinsame Brennebenen aufweisen. Auf diese Weise können Teilstrahlen mit geringer Divergenz und unterschiedlichen Ausbreitungswinkeln im Fernfeld des zweiten optischen Arrays erzeugt werden.In a particularly preferred embodiment, it is proposed that the optical arrays are arranged such that the lens elements of the second optical array and their associated lens elements of the first optical array have common focal planes. In this way, partial beams with low divergence and different Propagation angles are generated in the far field of the second optical array.
Vorzugsweise ist mindestens ein Teil der Linsenelemente konvex ausgeführt. In diesem Fall kann die Aufteilung eines auf die Strahlteileranordnung einfallenden Lichtstrahls in eine Mehrzahl von Teilstrahlen mindestens teilweise reell erfolgen.Preferably, at least a part of the lens elements is convex. In this case, the distribution of a light beam incident on the beam splitter arrangement into a plurality of partial beams can take place at least partially real.
In einer alternativen Ausführungsform kann mindestens ein Teil der Linsenelemente konkav ausgeführt sein. Dann kann die Aufteilung eines auf die Strahlteileranordnung fallenden Lichtstrahls in eine Mehrzahl von Teilstrahlen mindestens teilweise virtuell erfolgen.In an alternative embodiment, at least a portion of the lens elements may be concave. Then, the division of a falling on the beam splitter assembly light beam into a plurality of partial beams at least partially made virtually.
Die Linsenelemente mindestens eines der optischen Arrays können in einer bevorzugten Ausführungsform sphärische Linsenelemente sein.The lens elements of at least one of the optical arrays may in a preferred embodiment be spherical lens elements.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass die Linsenelemente mindestens eines der optischen Arrays Zylinderlinsenelemente sind.In a particularly preferred embodiment, it is proposed that the lens elements of at least one of the optical arrays are cylindrical lens elements.
Grundsätzlich ist es möglich, Linsenelemente mit beliebigen anderen Linsenformen in den optischen Arrays einzusetzen. Für eine möglichst hohe Effizienz der Strahlteileranordnung sind aber generell möglichst flächenausfüllende optische Arrays besonders vorteilhaft. Zu diesem Zweck können insbesondere rechteckige oder auch sechseckige Linsenelemente eingesetzt werden.In principle, it is possible to use lens elements with any other lens shapes in the optical arrays. However, as far as possible surface-filling optical arrays are generally particularly advantageous for the highest possible efficiency of the beam splitter arrangement. For this purpose, in particular rectangular or hexagonal lens elements can be used.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass mindestens eines der optischen Arrays auf gegenüberliegenden Seiten erste und zweite Zylinderlinsenelemente, aufweist wobei die Zylinderachsen der ersten Zylinderlinsenelemente auf einer Rückseite des mindestens einen der optischen Arrays jeweils parallel zueinander und senkrecht zu den Zylinderachsen der zweiten Zylinderlinsenelemente auf einer Vorderseite des mindestens einen der optischen Arrays orientiert sind. Derartige Zylinderlinsenarrays, deren Zylinderlinsenelemente auf gegenüberliegenden Seiten senkrecht zueinander orientierte Zylinderachsen aufweisen, eignen sich insbesondere für eine Zerlegung eines auf die Strahlteileranordnung treffenden Lichtstrahls in eine zweidimensionale Anordnung von Teilstrahlen.In a particularly advantageous embodiment, it is proposed that at least one of the optical arrays on opposite sides comprises first and second cylindrical lens elements, wherein the cylinder axes of the first cylindrical lens elements on a rear side of the at least one of the optical arrays are parallel to each other and perpendicular to the cylinder axes of the second Cylinder lens elements are oriented on a front side of the at least one of the optical array. Such cylindrical lens arrays, the cylindrical lens elements of which have mutually perpendicular cylindrical axes on opposite sides, are particularly suitable for a decomposition of a light beam impinging on the beam splitter arrangement into a two-dimensional arrangement of partial beams.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die Strahlteileranordnung mindestens ein Linsenmittel auf, das im Strahlengang der Strahlteileranordnung hinter dem zweiten optischen Array angeordnet ist und geeignet ist, die Teilstrahlen in eine Brennebene zu fokussieren. Das Linsenmittel führt eine zweite Fourier-Transformation der Teilstrahlen durch, die das Linsenmittel durchlaufen. Die nunmehr zweifache Fourier-Transformation mittels des zweiten optischen Arrays und des Linsenmittels bewirkt, dass die Teilstrahlen in eine Brennebene hinter dem Linsenmittel abgebildet werden. Auf diese Weise lässt sich beispielsweise ein Punktmuster in der Brennebene des Linsenmittels erzeugen.In a particularly preferred embodiment, the beam splitter arrangement has at least one lens means, which is arranged in the beam path of the beam splitter arrangement behind the second optical array and is suitable for focusing the partial beams into a focal plane. The lens means performs a second Fourier transform of the sub-beams passing through the lens means. The now two-fold Fourier transformation by means of the second optical array and the lens means causes the partial beams are imaged in a focal plane behind the lens means. In this way, for example, a dot pattern can be generated in the focal plane of the lens means.
Das Linsenmittel kann vorzugsweise sphärisch ausgeführt sein.The lens means may be preferably spherical.
In einer Variante der Strahlteileranordnung können die optisch funktionalen Elemente mindestens eines der optischen Arrays Spiegel sein. Spiegelarrays liefern vergleichbare Ergebnisse und sind insbesondere dann vorteilhaft, wenn die auf die Strahlteileranordnung treffende elektromagnetische Strahlung bei der Transmission durch Linsenelemente abgeschwächt oder nicht ausreichend gebrochen wird. Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Darin zeigenIn a variant of the beam splitter arrangement, the optically functional elements of at least one of the optical arrays may be mirrors. Mirror arrays provide comparable results and are particularly advantageous if the electromagnetic radiation impinging on the beam splitter arrangement is attenuated or not sufficiently refracted during transmission through lens elements. Further features and advantages of the present invention will become apparent from the following description of preferred embodiments with reference to the accompanying drawings. Show in it
Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einerFig. 1 is a schematic side view of a
Strahlteileranordnung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;Beam splitter assembly according to a first embodiment of the present invention;
Fig. 2 eine Draufsicht auf die Strahlteileranordnung gemäß Fig. 1 ;FIG. 2 is a plan view of the beam splitter assembly of FIG. 1; FIG.
Fig. 3a eine schematisch vereinfachte Darstellung eines ersten und zweiten optischen Arrays der Strahlteileranordnung gemäß Fig. 1 und Fig. 2 sowie das mit der Strahlteileranordnung generierte Punktmuster;3a shows a schematically simplified representation of a first and second optical array of the beam splitter arrangement according to FIG. 1 and FIG. 2 as well as the dot pattern generated with the beam splitter arrangement;
Fig. 3b eine schematisch vereinfachte Darstellung einer ersten alternativen Variante der optischen Arrays der Strahlteileranordnung und das erzeugte Punktmuster;3b shows a schematically simplified representation of a first alternative variant of the optical arrays of the beam splitter arrangement and the dot pattern generated;
Fig. 3b eine schematisch vereinfachte Darstellung einer zweiten alternativen Variante der optischen Arrays der Strahlteileranordnung sowie das erzeugte Punktmuster;3b shows a schematically simplified representation of a second alternative variant of the optical arrays of the beam splitter arrangement and the dot pattern generated;
Fig. 4 eine schematische Seitenansicht einerFig. 4 is a schematic side view of a
Strahlteileranordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.Beam splitter arrangement according to a second embodiment of the present invention.
Zunächst wird auf Fig. 1 und Fig. 2 Bezug genommen, in denen zwei Ansichten einer Strahlteileranordnung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt sind. Fig. 1 zeigt eine dabei eine schematische Seitenansicht und Fig. 2 eine Draufsicht auf die Strahlteileranordnung gemäß Fig. 1. Zur Verdeutlichung sind in Fig. 1 und Fig. 2 jeweils kartesische Koordinatensysteme eingezeichnet.Referring first to Figures 1 and 2, there are shown two views of a beam splitter assembly according to a first embodiment of the present invention. Fig. 1 shows a schematic side view and Fig. 2 a Planar view of the beam splitter arrangement according to FIG. 1. For clarification, Cartesian coordinate systems are shown in FIGS. 1 and 2.
Die Strahlteileranordnung umfasst ein erstes optisches Array 1 , das auf seiner Rückseite eine Mehrzahl konvex geformter erster Zylinderlinsenelemente 10a - 12c (siehe Fig. 1 ) und auf seiner Vorderseite eine Mehrzahl konvex geformter zweiter Zylinderlinsenelemente 13a - 15c (siehe Fig. 2) aufweist. Alternativ kann mindestens ein Teil der ersten und zweiten Zylinderlinsenelemente 10a - 12c, 13a - 15c des ersten optischen Arrays 1 auch konkav ausgeführt sein. Die ersten und zweiten Zylinderlinsenelemente 10a - 12c, 13a - 15c weisen in diesem Ausführungsbeispiel weitgehend identische Durchmesser und Krümmungen auf. Man erkennt, dass die Zylinderachsen der ersten Zylinderlinsenelemente 10a - 12c auf der Rückseite des ersten optischen Arrays 1 jeweils im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen und im Wesentlichen senkrecht zu den ebenfalls im Wesentlichen parallel zueinander verlaufenden Zylinderachsen der zweiten Zylinderlinsenelemente 13a - 15c auf der Vorderseite des ersten optischen Arrays 1 orientiert sind. Im Prinzip ist jede beliebige Form und Anordnung der Linsenelemente im ersten optischen Array 1 möglich. Beispielsweise können an Stelle der Zylinderlinsenelemente 10a - 12c, 13a - 15c auch sphärische Linsenelemente eingesetzt werden.The beam splitter arrangement comprises a first optical array 1, which has on its rear side a plurality of convexly shaped first cylindrical lens elements 10a-12c (see FIG. 1) and on its front side a plurality of convexly shaped second cylindrical lens elements 13a-15c (see FIG. 2). Alternatively, at least a part of the first and second cylindrical lens elements 10a-12c, 13a-15c of the first optical array 1 can also be made concave. The first and second cylindrical lens elements 10a-12c, 13a-15c in this embodiment have largely identical diameters and curvatures. It can be seen that the cylinder axes of the first cylindrical lens elements 10a-12c on the rear side of the first optical array 1 each extend substantially parallel to each other and substantially perpendicular to the cylinder axes of the second cylindrical lens elements 13a-15c, which are also substantially mutually parallel, on the front side of the first optical arrays 1 are oriented. In principle, any shape and arrangement of the lens elements in the first optical array 1 is possible. For example, instead of the cylindrical lens elements 10a-12c, 13a-15c, spherical lens elements can also be used.
In Strahlausbreitungsrichtung (z-Richtung) ist hinter dem ersten optischen Array 1 ein zweites optisches Array 2 angeordnet. Dieses zweite optische Array 2 weist auf seiner Rückseite ebenfalls eine Mehrzahl konvex geformter erster Zylinderlinsenelemente 20a - 20c auf, deren Zylinderachsen im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Auf seiner Vorderseite weist das zweite optische Array 2 eine Mehrzahl konvex geformter zweiter Zylinderlinsenelemente 21 a - 21 c auf, deren Zylinderachsen ebenfalls im Wesentlichen parallel zueinander und senkrecht zu den Zylinderachsen der ersten Zylinderlinsenelemente 20a - 20c orientiert sind. Alternativ kann auch mindestens ein Teil der Zylinderlinsenelemente 20a - 20c, 21 a - 21 c des zweiten optischen Arrays 2 konkav ausgeführt sein. Alternativ können auch anders geformte und anders angeordnete Linsenelemente (zum Beispiel sphärische Linsenelemente) im zweiten optischen Array 2 eingesetzt werden. Man erkennt, dass die Durchmesser der ersten und zweiten Zylinderlinsenelemente 20a - 20c, 21 a - 21 c des zweiten Zylinderlinsenarrays 2 in diesem Ausführungsbeispiel größer sind als die Durchmesser der ersten und zweiten Zylinderlinsenelemente 10a - 12c, 13a - 15c des ersten optischen Arrays 1 . Die Durchmesser der vergleichsweise kleinen Zylinderlinsenelemente 10a - 12c, 13a - 15c des ersten optischen Arrays 1 können beispielsweise in einer Größenordnung von 0, 1 bis 1 mm liegen.In the beam propagation direction (z-direction), a second optical array 2 is arranged behind the first optical array 1. This second optical array 2 also has on its rear side a plurality of convexly shaped first cylindrical lens elements 20a-20c whose cylinder axes extend substantially parallel to one another. On its front side, the second optical array 2 a plurality of convexly shaped second cylindrical lens elements 21a-21c, the cylinder axes of which are likewise oriented substantially parallel to one another and perpendicular to the cylinder axes of the first cylindrical lens elements 20a-20c. Alternatively, at least a portion of the cylindrical lens elements 20a-20c, 21a-21c of the second optical array 2 may be concave. Alternatively, differently shaped and differently arranged lens elements (for example, spherical lens elements) can be used in the second optical array 2. It can be seen that the diameters of the first and second cylindrical lens elements 20a-20c, 21a-21c of the second cylindrical lens array 2 in this embodiment are larger than the diameters of the first and second cylindrical lens elements 10a-12c, 13a-15c of the first optical array 1. The diameters of the comparatively small cylindrical lens elements 10a-12c, 13a-15c of the first optical array 1 may, for example, be on the order of 0.1 to 1 mm.
Aus Fig. 1 wird deutlich, dass jeweils einem der ersten Zylinderlinsenelemente 20a - 20c auf der Rückseite des zweiten optischen Arrays 2 genau drei der ersten Zylinderlinsenelemente 10a - 12c auf der Rückseite des ersten optischen Arrays 1 zugeordnet sind. Beispielsweise sind dem Zylinderlinsenelement 20a des zweiten optischen Arrays 2 die Zylinderlinsenelemente 10a, 10b, 10c des ersten optischen Arrays 1 zugeordnet. Entsprechendes gilt für das Zylinderlinsenelement 20b, dem die Zylinderlinsenelemente 1 1 a, 1 1 b, 11 c des ersten optischen Arrays 1 zugeordnet sind, und für das Zylinderlinsenelement 20c, dem die Zylinderlinsenelemente 12a, 12b, 12c des ersten optischen Arrays 1 zugeordnet sind.It is clear from FIG. 1 that in each case one of the first cylindrical lens elements 20a-20c on the rear side of the second optical array 2 is assigned exactly three of the first cylindrical lens elements 10a-12c on the rear side of the first optical array 1. For example, the cylindrical lens elements 20 a of the second optical array 2 are assigned the cylindrical lens elements 10 a, 10 b, 10 c of the first optical array 1. The same applies to the cylindrical lens element 20b, to which the cylindrical lens elements 11a, 11b, 11c of the first optical array 1 are assigned, and for the cylindrical lens element 20c, to which the cylindrical lens elements 12a, 12b, 12c of the first optical array 1 are assigned.
Aus der in Fig. 2 gezeigten, bezüglich Fig. 1 um 90° gedrehten Draufsicht wird deutlich, dass jeweils einem der zweiten Zylinderlinsenelemente 21 a - 21 c auf der Vorderseite des zweiten Zylinderlinsenarrays 2 genau drei der zweiten Zylinderlinsenelemente 13a - 15c auf der Vorderseite des ersten Zylinderlinsenarrays 1 zugeordnet sind. So sind dem Zylinderlinsenelement 21 a des zweiten optischen Arrays 2 die Zylinderlinsenelemente 13a, 13b, 13c des ersten optischen Arrays 1 zugeordnet. Entsprechendes gilt für das Zylinderlinsenelement 21 b, dem die Zylinderlinsenelemente 14a, 14b, 14c des ersten optischen Arrays 1 zugeordnet sind, und für das Zylinderlinsenelement 21 c, dem die Zylinderlinsenelemente 15a, 15b, 15c des ersten optischen Arrays 1 zugeordnet sind.From the shown in Fig. 2, with respect to FIG. 1 rotated by 90 ° top view is clear that each one of the second Cylinder lens elements 21 a - 21 c on the front of the second cylindrical lens array 2 are assigned exactly three of the second cylindrical lens elements 13 a - 15 c on the front side of the first cylindrical lens array 1. Thus, the cylindrical lens element 21 a of the second optical array 2, the cylindrical lens elements 13 a, 13 b, 13 c of the first optical array 1 are assigned to the cylindrical lens element. The same applies to the cylindrical lens element 21b, to which the cylindrical lens elements 14a, 14b, 14c of the first optical array 1 are assigned, and to the cylindrical lens element 21c, to which the cylindrical lens elements 15a, 15b, 15c of the first optical array 1 are assigned.
Es ist unabhängig von der gewählten geometrischen Form und Anordnung der Linsenelemente beachtenswert, dass das Verhältnis der Gesamtzahl der Linsenelemente des ersten optischen Arrays 1 zur Gesamtzahl der Linsenelemente des zweiten optischen Arrays 2 ganzzahlig ist.It is noteworthy, regardless of the selected geometric shape and arrangement of the lens elements, that the ratio of the total number of lens elements of the first optical array 1 to the total number of lens elements of the second optical array 2 is an integer.
Neben den beiden optischen Arrays 1 , 2 weist die Strahlteileranordnung ein Linsenmittel 3 auf, das in diesem Ausführungsbeispiel sphärisch ausgeführt ist und in z-Richtung (Strahlausbreitungsrichtung) hinter dem zweiten optischen Array 2 angeordnet ist.In addition to the two optical arrays 1, 2, the beam splitter arrangement has a lens means 3, which in this embodiment is spherical and arranged in the z direction (beam propagation direction) behind the second optical array 2.
Ein auf die in Fig. 1 und Fig. 2 gezeigte Strahlteileranordnung treffender, im Wesentlichen paralleler Lichtstrahl wird zunächst mittels des ersten optischen Arrays 1 in eine Mehrzahl von Teilstrahlen zerlegt. Die Aufteilung des Lichtstrahls in eine Mehrzahl von Teilstrahlen erfolgt in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel reell, da sowohl die Zylinderlinsenelemente 10a - 12c, 13a - 15c des ersten optischen Arrays 1 als auch die Zylinderlinsenelemente 20a - 20c, 21 a - 21 c des zweiten optischen Arrays 2 jeweils konvex ausgeführt sind. Werden alternativ statt der konvexen Zylinderlinsenelemente 1 Ga - 12c, 13a - 15c, 20a - 20c, 21 a - 21 c in beiden optischen Arrays 1 , 2 konkav geformte Zylinderlinsenelemente eingesetzt, erfolgt die Aufteilung des einfallenden Lichtstrahls in eine Mehrzahl von Teilstrahlen hingegen virtuell.An essentially parallel light beam which impinges on the beam splitter arrangement shown in FIGS. 1 and 2 is first decomposed into a plurality of partial beams by means of the first optical array 1. The division of the light beam into a plurality of partial beams is real in the embodiment shown here, since both the cylindrical lens elements 10a - 12c, 13a - 15c of the first optical array 1 and the cylindrical lens elements 20a - 20c, 21 a - 21 c of the second optical array 2 are each made convex. Become alternatively the convex Cylindrical lens elements 1 Ga - 12c, 13a - 15c, 20a - 20c, 21 a - 21 c used in both optical arrays 1, 2 concave cylindrical lens elements, the division of the incident light beam in a plurality of partial beams, however, takes place virtually.
Da die ersten Zylinderlinsenelemente 10a - 12c auf der Rückseite des ersten optischen Arrays 1 im Wesentlichen identische geometrische (Durchmesser und Krümmung) und optische Eigenschaften haben, besitzen alle ersten Zylinderlinsenelemente 10a - 12c in einem Abstand fi hinter dem ersten optischen Array 1 jeweils eine gemeinsame Brennebene (siehe Fig. 1 ). Entsprechendes gilt für die zweiten Zylinderlinsenelemente 13a - 15c auf der Vorderseite des ersten optischen Arrays 1 und deren gemeinsame Brennebene in einem Abstand f4 hinter dem ersten optischen Array 1 (siehe Fig. 2). Auch die ersten und zweiten Zylinderlinsenelemente 20a - 20c, 21 a - 21 c des zweiten optischen Arrays 2 besitzen jeweils gemeinsame Brennebenen vor dem zweiten optischen Array 2. Man erkennt in Fig. 1 die gemeinsame Brennebene der ersten Zylinderlinsenelemente 20aSince the first cylindrical lens elements 10a-12c on the rear side of the first optical array 1 have substantially identical geometrical (diameter and curvature) and optical properties, all the first cylindrical lens elements 10a-12c each have a common focal plane at a distance fi behind the first optical array 1 (see Fig. 1). The same applies to the second cylindrical lens elements 13a-15c on the front side of the first optical array 1 and their common focal plane at a distance f 4 behind the first optical array 1 (see FIG. 2). The first and second cylindrical lens elements 20a-20c, 21a-21c of the second optical array 2 also each have common focal planes in front of the second optical array 2. The common focal plane of the first cylindrical lens elements 20a can be seen in FIG
- 20c des zweiten optischen Arrays in einem Abstand h und in Fig. 2 die gemeinsame Brennebene der zweiten Zylinderlinsenelemente 21 a- 20c of the second optical array at a distance h and in Fig. 2, the common focal plane of the second cylindrical lens elements 21 a
- 21 c des zweiten optischen Arrays 2 in einem Abstand f5.- 21 c of the second optical array 2 at a distance f. 5
Das zweite optische Array 2 ist in der hier gezeigten Ausführungsform also so angeordnet ist, dass die Brennebene der ersten Zylinderlinsenelemente 20a - 20c des zweiten optischen Arrays 2 mit der Brennebene der ersten Zylinderlinsenelemente 10a - 12c des ersten optischen Arrays zusammenfällt. Darüber hinaus fällt auch die Brennebene der zweiten Zylinderlinsenelemente 21 a - 21 c des zweiten optischen Arrays 2 mit der Brennebene der zweiten Zylinderlinsenelemente 10a - 12 des ersten optischen Arrays 1 zusammen. Das zweite optische Array 2 dient bei der hier gezeigten Strahlteileranordnung als Fourier-Optik und wird für eine erste Fouriertransformation der Teilstrahlen eingesetzt.The second optical array 2 is thus arranged in the embodiment shown here so that the focal plane of the first cylindrical lens elements 20a-20c of the second optical array 2 coincides with the focal plane of the first cylindrical lens elements 10a-12c of the first optical array. In addition, the focal plane of the second cylindrical lens elements 21a-21c of the second optical array 2 coincides with the focal plane of the second cylindrical lens elements 10a-12 of the first optical array 1. The second optical array 2 serves as shown here Beam splitter arrangement as Fourier optics and is used for a first Fourier transform of the partial beams.
Das Linsenmittel 3, das in z-Richtung hinter dem zweiten optischen Array 2 angeordnet ist, bewirkt eine zweite Fouriertransformation der Teilstrahlen. Aufgrund der zweifachen Fouriertransformation mit Hilfe des zweiten optischen Arrays 2 und des Linsenmittels 3 wird die Intensitätsverteilung in den Brennebenen der ersten und zweiten Zylinderlinsenelemente 20a - 20c, 21 a - 21 c des zweiten optischen Arrays 2 in eine Brennebene des Linsenmittels 3 in einem Abstand f3 vom Linsenmittel 3 abgebildet und dabei über die einzelnen Aperturen der ersten und zweiten Zylinderlinsenelemente 20a - 20c, 21 a - 21 c gemittelt. Da jeweils drei der ersten Zylinderlinsenelemente 10a - 12c beziehungsweise drei der zweiten Zylinderlinsenelemente 13a - 15c des ersten Zylinderlinsenarrays 1 genau einem der ersten beziehungsweise zweiten Zylinderlinsenelemente 20a - 20c, 21 a - 21 c des zweiten Zylinderlinsenarrays 2 zugeordnet sind, bewirkt die periodische Anordnung der ersten und zweiten Zylinderlinsenelemente 10a - 12c, 13a - 15c des ersten Zylinderlinsenarrays 1 , dass in den Brennebenen der ersten und zweiten Zylinderlinsenelemente 20a - 20c, 21 a - 21 c des zweiten Zylinderlinsenarrays 2 sehr ähnliche Intensitätsverteilungen erzeugt werden können.The lens means 3, which is arranged in the z-direction behind the second optical array 2, effects a second Fourier transformation of the partial beams. Due to the double Fourier transformation using the second optical array 2 and the lens means 3, the intensity distribution in the focal planes of the first and second cylindrical lens elements 20a-20c, 21a-21c of the second optical array 2 into a focal plane of the lens means 3 at a distance f 3 imaged by the lens means 3 and averaged over the individual apertures of the first and second cylindrical lens elements 20a - 20c, 21 a - 21 c. Since in each case three of the first cylindrical lens elements 10a-12c or three of the second cylindrical lens elements 13a-15c of the first cylindrical lens array 1 are assigned to exactly one of the first and second cylindrical lens elements 20a-20c, 21a-21c of the second cylindrical lens array 2, the periodic arrangement causes the first and second cylindrical lens elements 10a - 12c, 13a - 15c of the first cylindrical lens array 1 that in the focal planes of the first and second cylindrical lens elements 20a - 20c, 21 a - 21 c of the second cylindrical lens array 2 very similar intensity distributions can be generated.
Mit der in Fig. 1 und Fig.2 gezeigten Strahlteileranordnung kann dann in der bildseitigen Brennebene des Linsenmittels 3 in einem Abstand h ein Punktmuster erzeugt werden kann, das dem gemittelten Intensitätsmuster in den Brennpunkten der ersten und zweiten Zylinderlinsenelemente 10a - 12c, 13a - 15c des ersten optischen Arrays 1 vor jedem einzelnen der ersten und zweiten Zylinderlinsenelemente 20a - 20c, 21 a - 21 c des zweiten optischen Arrays 2 entspricht. Somit wird in der Brennebene des Linsenmittels 3 ein Punktmuster mit relativ homogener Intensitätsverteilung erzeugt, das insgesamt neun Bildpunkte P1 - P9 aufweist. Dieses Punktmuster ist in Fig. 3a dargestellt.With the beam splitter arrangement shown in Fig. 1 and Fig.2 can then in the image-side focal plane of the lens means 3 at a distance h, a dot pattern can be generated which the average intensity pattern in the focal points of the first and second cylindrical lens elements 10a - 12c, 13a - 15c of the first optical array 1 before each one of the first and second cylindrical lens elements 20a-20c, 21a-21c of the second optical array 2. Thus, a dot pattern with a relatively homogeneous intensity distribution is produced in the focal plane of the lens means 3, which has a total of nine pixels P1 - P9. This dot pattern is shown in Fig. 3a.
In Fig. 3a, 3b, 3c sind unterschiedliche optische Arrays 1 , 2, die in der in Fig. 1 und Fig. 2 Strahlteileranordnung eingesetzt werden können, sowie die resultierenden Punktmuster in der Brennebene des Linsenmittels 3 schematisch stark vereinfacht gezeigt. Das in Fig. 3a dargestellte Punktmuster mit insgesamt neun Bildpunkten P1 - P9 lässt sich unmittelbar mit der oben im Detail beschriebenen Strahlteileranordnung erzeugen.In FIGS. 3a, 3b, 3c, different optical arrays 1, 2, which can be used in the beam splitter arrangement shown in FIG. 1 and FIG. 2, as well as the resulting dot patterns in the focal plane of the lens means 3, are shown in a greatly simplified manner. The dot pattern shown in Fig. 3a with a total of nine pixels P1 - P9 can be generated directly with the beam splitter arrangement described in detail above.
Verwendet man gemäß Fig. 3b alternativ ein optisches Array 1 mit zwei ersten Zylinderlinsenelementen auf der Rückseite und vier zweiten Zylinderlinsenelementen auf der Vorderseite, die jeweils einem der ersten beziehungsweise zweiten Zylinderlinsenelemente 20a - 20c, 21 a - 21 c des zweiten optischen Arrays 2 zugeordnet sind, erhält man in der Brennebene des Linsenmittels 3 insgesamt acht Bildpunkte.If, according to FIG. 3b, an optical array 1 having two first cylindrical lens elements on the rear side and four second cylindrical lens elements on the front side, which are respectively assigned to one of the first and second cylindrical lens elements 20a-20c, 21a-21c of the second optical array 2, is used , one obtains a total of eight pixels in the focal plane of the lens means 3.
Ein optisches Array 1 mit Zylinderlinsenelementen, deren Zylinderachsen auf der Vorder- oder Rückseite zueinander versetzt sind, oder ein optisches Array mit Linsenelementen, die hexagonale Aperturen aufweisen, erzeugt das in Fig. 3c gezeigte Punktmuster mit insgesamt sechs zueinander versetzt angeordneten Bildpunkten in der Brennebene des Linsenmittels 3.An optical array 1 with cylindrical lens elements whose cylinder axes are offset from one another on the front or rear side or an optical array with lens elements having hexagonal apertures produces the dot pattern shown in FIG. 3c with a total of six mutually offset pixels in the focal plane of FIG Lens means 3.
Es wird ganz allgemein deutlich, dass durch geeignete Wahl der Anzahl, Form und geometrischen Anordnung der optisch funktionalen Elemente des ersten optischen Arrays 1 , die jeweils einem optisch funktionalen Element des zweiten optischen Arrays 2 zugeordnet sind, die Anzahl der resultierenden Bildpunkte sowie deren räumliche Verteilung variiert werden können. So lässt sich beispielsweise über die Form und Anordnung der Aperturen der in den beiden optischen Arrays 1 , 2 eingesetzten Linsenelemente die Anzahl der mit Hilfe der Strahlteileranordnung erzeugten Bildpunkte gezielt variieren.It is generally clear that by suitable choice of the number, shape and geometric arrangement of the optically functional elements of the first optical array 1, which are each associated with an optically functional element of the second optical array 2, the number of resulting pixels and their spatial distribution can be varied. This can be over, for example the shape and arrangement of the apertures of the lens elements used in the two optical arrays 1, 2 selectively vary the number of pixels generated with the aid of the beam splitter arrangement.
Fig. 4 zeigt schematisch den Strahlengang einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Man erkennt wiederum das erste optische Array 1 , das an seiner Rückseite eine Mehrzahl erster konvex geformter Zylinderlinsenelemente 10a aufweist. In Strahlausbreitungsrichtung (z-Richtung) ist hinter dem ersten optischen Array 1 ein zweites optisches Array 2 angeordnet, das an seiner Rückseite eine Mehrzahl konvex geformter erster Zylinderlinsenelemente 20a aufweist. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Durchmesser der ersten Zylinderlinsenelemente 20a des zweiten optischen Arrays 2 wiederum größer als die Durchmesser der ersten Zylinderlinseneiemente 10a des ersten optischen Arrays 1. Die Durchmesser der ersten Zylinderlinseneiemente 10a des ersten optischen Arrays 1 können beispielsweise in einer Größenordnung von 0, 1 bis 1 mm liegen. Man erkennt, dass in diesem Ausführungsbeispiel jeweils vier der ersten Zylinderlinseneiemente 10a des ersten optischen Arrays 1 genau einem der ersten Zylinderlinsenelement 20a des zweiten optischen Arrays 2 zugeordnet sind. Die optischen Arrays 1 , 2 können an ihren Vorderseiten ebenfalls zweite Zylinderlinseneiemente aufweisen, deren Zylinderachsen im Wesentlichen parallel zueinander und senkrecht zu den Zylinderachsen der ersten Zylinderlinseneiemente 10a, 20a auf den Rückseiten der optischen Arrays 1 , 2 orientiert sein können.Fig. 4 shows schematically the beam path of a second embodiment of the present invention. In turn, one recognizes the first optical array 1, which has a plurality of first convex-shaped cylindrical lens elements 10a on its rear side. In the beam propagation direction (z-direction) behind the first optical array 1, a second optical array 2 is arranged, which has on its rear side a plurality of convexly shaped first cylindrical lens elements 20a. In the exemplary embodiment illustrated here, the diameters of the first cylindrical lens elements 20a of the second optical array 2 are again larger than the diameters of the first cylindrical lens elements 10a of the first optical array 1. The diameters of the first cylindrical lens elements 10a of the first optical array 1 can be of the order of 0, for example , 1 to 1 mm. It can be seen that in this exemplary embodiment, four of the first cylindrical lens elements 10a of the first optical array 1 are assigned to exactly one of the first cylindrical lens elements 20a of the second optical array 2. The optical arrays 1, 2 may also have second cylindrical lens elements on their front sides, the cylinder axes of which may be oriented substantially parallel to one another and perpendicular to the cylinder axes of the first cylinder lens elements 10a, 20a on the rear sides of the optical arrays 1, 2.
Ein auf diese Strahlteileranordnung treffender, im Wesentlichen paralleler Lichtstrahl wird zunächst, wie bereits im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel in Fig. 1 und Fig. 2 ausführlich erläutert, mittels der ersten Zylinderlinseneiemente 10a des ersten optischen Arrays 1 in eine Mehrzahl von Teilstrahlen zerlegt, die in eine Brennebene der ersten Zylinderlinsenelemente 10a vor dem zweiten optischen Array 2 abgebildet werden. Das zweite optische Array 2 wird wiederum als Fourier-Optik eingesetzt. Anders als bei der in Fig. 1 und 2 beschriebenen Ausführungsform ist in diesem Ausführungsbeispiel hinter dem zweiten optischen Array 2 kein weiteres Linsenmittel angeordnet.An essentially parallel light beam striking this beam splitter arrangement is first of all, as already explained in detail in connection with the first exemplary embodiment in FIGS. 1 and 2, by means of the first cylindrical lens elements 10a of the first optical array 1 decomposed into a plurality of partial beams, which are imaged in a focal plane of the first cylindrical lens elements 10a in front of the second optical array 2. The second optical array 2 is again used as Fourier optics. Unlike the embodiment described in FIGS. 1 and 2, no further lens means is arranged behind the second optical array 2 in this exemplary embodiment.
Aus Vereinfachungsgründen sind in Fig. 4 hinter dem zweiten optischen Array 2 lediglich jeweils nur die ersten beiden der insgesamt vier Teilstrahlen dargestellt, welche hinter jedem der Zylinderlinsenelemente 20a zu beobachten sind. Diese Teilstrahlen sind mit den Bezugszeichen S1 , S2 bezeichnet. Man erkennt, dass die jeweils mit denselben Bezugszeichen gekennzeichneten Teilstrahlen S1 , S2 hinter dem zweiten optischen Array 2 im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Im Fernfeld jedes einzelnen Zylinderlinsenelements 20a des zweiten Arrays 2 kann man dann eine Winkelverteilung der Intensität der Teilstrahlen S1 , S2 beobachten, die der Intensitätsverteilung in der gegenstandsseitigen Brennebene vor den ersten Zylinderlinsenelementen 20a des Zylinderlinsenarrays 2 entspricht.For reasons of simplification, only the first two of the total of four partial beams, which are to be observed behind each of the cylindrical lens elements 20a, are shown in FIG. 4 behind the second optical array 2. These partial beams are denoted by the reference symbols S1, S2. It can be seen that the partial beams S1, S2, which are each identified by the same reference numerals, extend behind the second optical array 2 essentially parallel to one another. In the far field of each individual cylindrical lens element 20a of the second array 2, one can then observe an angular distribution of the intensity of the partial beams S1, S2, which corresponds to the intensity distribution in the object-side focal plane in front of the first cylindrical lens elements 20a of the cylindrical lens array 2.
Wegen der oben im Zusammenhang mit Fig. 1 und Fig. 2 bereits erläuterten periodischen Anordnung der ersten Zylinderlinsenelemente 10a im ersten optischen Array 1 , die den ersten Zylinderlinsenelementen 20a des zweiten optischen Arrays 2 zugeordnet sind, können die Intensitätsverteilungen in der Brennebene der ersten Zylinderlinsenelemente 20a des zweiten optischen Arrays 2 sehr ähnlich sein. Die ersten Zylinderlinsenelemente 20a des zweiten optischen Arrays 2 erzeugen daher sehr ähnliche Fernfelder, so dass die Intensitätsverteilung im Fernfeld im Wesentlichen unabhängig von der Ausleuchtung des ersten optischen Arrays 1 beziehungsweise unabhängig vom Strahlprofil des auf die Strahlteileranordnung treffenden Lichtstrahls ist. Fallen, wie in Fig. 4 dargestellt, die Brennebenen der ersten Zylinderlinsenelemente 10a, 20a der beiden optischen Arrays 1 , 2 zusammen, entstehen in dieser Brennebene kleine Brennflecken, die zu einer entsprechenden Zahl einzelner Strahlen mit geringer Divergenz und unterschiedlichen Ausbreitungswinkeln im Fernfeld führen. Damit wird eine relativ gleichmäßige und darüber hinaus auch effiziente Strahlteilung bewirkt. Because of the periodic arrangement of the first cylindrical lens elements 10a in the first optical array 1 already explained above in connection with FIG. 1 and FIG. 2, which are associated with the first cylindrical lens elements 20a of the second optical array 2, the intensity distributions in the focal plane of the first cylindrical lens elements 20a of the second optical array 2 to be very similar. The first cylindrical lens elements 20a of the second optical array 2 therefore produce very similar far fields, so that the intensity distribution in the far field is substantially independent of the illumination of the is independent of the beam profile of the incident on the beam splitter assembly light beam. If, as shown in FIG. 4, the focal planes of the first cylindrical lens elements 10a, 20a of the two optical arrays 1, 2 coincide, small focal spots are produced in this focal plane which lead to a corresponding number of individual beams with low divergence and different propagation angles in the far field. This results in a relatively uniform and, moreover, efficient beam splitting.

Claims

Patentansprüche: claims:
1. Strahlteileranordnung, umfassend mindestens ein Strahlteilermittel, das für eine Zerlegung eines Lichtstrahls in eine Mehrzahl von Teilstrahlen geeignet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlteilermittel mindestens ein erstes und mindestens ein zweites optisches Array (1 , 2) umfasst, die voneinander beabstandet sind und eine Mehrzahl optisch funktionaler Elemente aufweisen, wobei jeweils einem optisch funktionalen Element des zweiten optischen Arrays (2) ein ganzzahliges Vielfaches von optisch funktionalen Elementen des ersten optischen Arrays (1 ) zugeordnet ist.A beam splitter assembly comprising at least one beam splitter means suitable for splitting a light beam into a plurality of sub-beams, characterized in that the beam splitter means comprises at least a first and at least a second optical array (1, 2) spaced from each other and a plurality of optically functional elements, wherein in each case an optically functional element of the second optical array (2) is associated with an integer multiple of optically functional elements of the first optical array (1).
2. Strahlteileranordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die optisch funktionalen Elemente der optischen Arrays (1 , 2) Linsenelemente sind.2. beam splitter arrangement according to claim 1, characterized in that the optically functional elements of the optical arrays (1, 2) are lens elements.
3. Strahlteileranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Arrays (1 , 2) so angeordnet sind, dass die Linsenelemente des zweiten optischen Arrays (2) und die ihnen zugeordneten Linsenelemente des ersten optischen Arrays (1 ) gemeinsame Brennebenen aufweisen.3. beam splitter arrangement according to claim 2, characterized in that the optical arrays (1, 2) are arranged so that the lens elements of the second optical array (2) and their associated lens elements of the first optical array (1) have common focal planes.
4. Strahlteileranordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der Linsenelemente der optischen Arrays (1 , 2) konvex ausgeführt ist.4. beam splitter arrangement according to claim 2 or 3, characterized in that at least a part of the lens elements of the optical arrays (1, 2) is convex.
5. Strahlteileranordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der Linsenelemente der optischen Arrays (1 , 2) konkav ausgeführt ist. 5. beam splitter arrangement according to one of claims 2 to 4, characterized in that at least a part of the lens elements of the optical arrays (1, 2) is concave.
6. Strahlteileranordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Linsenelemente der optischen Arrays (1 , 2) sphärische Linsenelemente sind.6. beam splitter arrangement according to one of claims 2 to 5, characterized in that the lens elements of the optical arrays (1, 2) are spherical lens elements.
7. Strahlteileranordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Linsenelemente der optischen Arrays (1 , 2) Zylinderlinsenelemente (10a - 15c, 20a - 21 c) sind.7. beam splitter arrangement according to one of claims 2 to 6, characterized in that the lens elements of the optical arrays (1, 2) cylindrical lens elements (10a - 15c, 20a - 21 c) are.
8. Strahlteileranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der optischen Arrays (1 , 2) auf gegenüberliegenden Seiten erste und zweite Zylinderlinsenelemente (10a - 15c, 20a - 21 c) aufweist, wobei die Zylinderachsen der ersten Zylinderlinsenelemente (10a - 12c, 20a - 20c) auf einer Rückseite des mindestens einen der optischen Arrays (1 , 2) jeweils parallel zueinander und senkrecht zu den Zylinderachsen der zweiten Zylinderlinsenelemente (13a - 15c, 21 a - 21 c) auf einer Vorderseite des mindestens einen der optischen Arrays (1 , 2) orientiert sind.8. beam splitter arrangement according to claim 7, characterized in that at least one of the optical arrays (1, 2) on opposite sides of first and second cylindrical lens elements (10a - 15c, 20a - 21c), wherein the cylinder axes of the first cylindrical lens elements (10a - 12c , 20a - 20c) on a rear side of the at least one of the optical array (1, 2) in each case parallel to each other and perpendicular to the cylinder axes of the second cylindrical lens elements (13a - 15c, 21 a - 21 c) on a front side of the at least one of the optical array (1, 2) are oriented.
9. Strahlteileranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlteileranordnung mindestens ein Linsenmittel (3) aufweist, das im Strahlengang der Strahlteileranordnung hinter dem zweiten optischen Array (2) angeordnet ist und geeignet ist, die Teilstrahlen in eine Brennebene zu fokussieren.9. beam splitter arrangement according to one of claims 1 to 8, characterized in that the beam splitter arrangement comprises at least one lens means (3) which is arranged in the beam path of the beam splitter arrangement behind the second optical array (2) and is suitable for the partial beams in a focal plane focus.
10. Strahlteileranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Linsenmittel (3) sphärisch ausgeführt ist. 1. Strahlteileranordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die optisch funktionalen Elemente mindestens eines der optischen Arrays (1 , 2) Spiegel sind. 10. Beam splitter arrangement according to claim 9, characterized in that the lens means (3) is designed spherical. 1. Beam splitter arrangement according to claim 1, characterized in that the optically functional elements of at least one of the optical arrays (1, 2) are mirrors.
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