JP2022539890A - マルチチャネル光学機械アドレス指定部 - Google Patents

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Abstract

本発明は、互いに平行なビーム束の第１の物体側セット（Ｓ１）を画像表面上に撮像するための光学装置（１００）であって、光ビーム拡張部（１６１、１６２）と、互いに平行を維持しながら、互いに平行なビーム束の第１のセット（Ｓ１）を再配置して、互いに平行なビーム束の第２のセット（Ｓ２）を得るように構成された光再配置部（１３０、１４０）と、光ビーム拡張部（１６１、１６２）がビーム束の第３のセット（Ｓ３）に到達するように、１つまたは複数のビーム束の第２のセット（Ｓ２）を束ねることにより光ビーム拡張部（１６１、１６２）上に向けるように構成された光学素子（１５０）であって、光ビーム拡張部（１６１、１６２）は、拡張されたビーム束の第４のセット（Ｓ４）を得るように、第３のセットの各ビーム束（Ｓ３）を拡張するように構成されている、光学素子（１５０）と、画像表面（１９０）上に拡張されたビーム束の第４のセット（Ｓ４）を撮像するように構成された光学撮像部（１７０）と、を備える、光学装置（１００）、に関する。

Description

本発明は、互いに平行な物体側ビーム束セットを画像表面上に撮像するための装置に関する。
いくつかの光ファイバによって提供され得る多数の光源からの光が、画像平面内の非常に小さな領域に向けられる用途の場合がある。この例として、光ビームが適切なイオントラップ内に位置するイオンに向けられる量子コンピューティングがある。イオン間距離は数マイクロメートルになる。使用される光の波長は、使用されるイオンの仕様に依存し、典型的にはＵＶ～ＮＩＲの範囲である。トラップ内のイオン間の距離は、様々なパラメータに依存する。トラップに異なる数のイオンが装填されると、イオン間距離の顕著な変化が生じる。例えば、トラップ内の干渉場のために、わずかな変化が生じる。したがって、焦点位置の高度に正確な追従性と同時に、可変に調整可能であり得る方法でイオントラップ面内の領域にビームを向けることが可能であるべきである。
しかしながら、例えば光通信などの他の技術分野においても同様の問題が生じる。
異なるイオンをアドレス指定する単純な変形は、Ｃｒａｉｎ、Ｓ．ｅｔ ａｌ．、「Ｉｎｄｉｖｉｄｕａｌ ａｄｄｒｅｓｓｉｎｇ ｏｆ ｔｒａｐｐｅｄ １７１Ｙｂ＋ｉｏｎ ｑｕｂｉｔｓ ｕｓｉｎｇ ａ ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍｓ－ｂａｓｅｄ ｂｅａｍ ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ」、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、ｐｐ．１８１１１５、１～４、２０１４に記載されているように、単一の光源を使用して個々のイオンを順次アドレス指定することにある。しかしながら、イオン数が増加するにつれて、様々なイオン位置でＱｕｂｉｔ演算を高速に実行するためのボトルネックになる。さらに、Ｃｒａｉｎ、Ｓ．ｅｔ ａｌ．、またはＫｎｏｅｒｎｓｃｈｉｌｄ、Ｃ．ｅｔ ａｌ．、「ＭＥＭＳ－ｂａｓｅｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｂｅａｍ ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｑｕａｎｔｕｍ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｉｎ ｔｗｏ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ａｔｏｍｉｃ ｓｙｓｔｅｍｓ」、Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、ｐｐ．２７３～２７５、２００８にも記載されているように、より大きなイオン数を含めることに関してスキームを拡張すると、中間像面のサイズが増大し、したがって、後続の光学撮像部に課される要求が増大する。
ＭＥＭＳミラーアレイでは、マルチチャネル入力の位置を受信機平面内の目標位置に関連付けることができる。ファイバスイッチ構成では、コリメーションおよび同一の集束レンズが、典型的には、実現されるべき１：１画像形成のための入力側チャネルおよび出力側チャネルにおいて使用される。この文脈内で、ミラーアレイは、入力と出力との任意の関連付けについて、束が出力側で、中心上かつ垂直に対応するチャネル位置に衝突することをもたらした。これは、出力チャネルの固定配置に従って出力側ミラーの所定の固定された位置決めを必要とする。その結果、出力チャネルの可変位置は、そのような構成では達成することが困難である。
ファイバアレイ内の固定入力側光源位置に基づいて、ＭＥＭＳミラーアレイは、中間結像が使用されることなくイオン位置をアドレス指定するための下位光学素子に関連して使用され得る：Ｒｉｃｋｅｒｔ、Ｊ．、「Ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ ａｎｄ ｉｎｄｉｖｉｄｕａｌ ｉｏｎ ａｄｄｒｅｓｓｉｎｇ ｆｏｒ ｑｕａｎｔｕｍ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ」、Ｌｅｏｐｏｌｄ－Ｆｒａｎｚｅｎｓ－Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔａｔ Ｉｎｎｓｂｒｕｃｋ、Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｐｈｙｓｉｃｓ、２０１８を参照されたい。この文脈内では、ファイバから始まるコリメートされた束が膨張される。次の対物レンズは、その焦点面内の束を撮像タスクの要件に適合したガウスウエストに変換する。しかしながら、光軸の外側に位置する光源位置、ならびに焦点面内の位置の所望のシフトを実現する光軸に向かう傾斜は、光学部が広く開かれていない場合に伝送損失をもたらす。したがって、光学装置のサイズが制限されている場合、チャネルの数は最初から制限されたままであるため、光部の直径自体をチャネルの数でスケーリングする手法は適切ではない。
Ｃｒａｉｎ、Ｓ．ｅｔ ａｌ．、「Ｉｎｄｉｖｉｄｕａｌ ａｄｄｒｅｓｓｉｎｇ ｏｆ ｔｒａｐｐｅｄ １７１Ｙｂ＋ｉｏｎ ｑｕｂｉｔｓ ｕｓｉｎｇ ａ ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍｓ－ｂａｓｅｄ ｂｅａｍ ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ」、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、ｐｐ．１８１１１５、１～４、２０１４ Ｃｒａｉｎ、Ｓ．ｅｔ ａｌ．、ｏｒ Ｋｎｏｅｒｎｓｃｈｉｌｄ、Ｃ．ｅｔ ａｌ．、「ＭＥＭＳ－ｂａｓｅｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｂｅａｍ ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｑｕａｎｔｕｍ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｉｎ ｔｗｏ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ａｔｏｍｉｃ ｓｙｓｔｅｍｓ」、Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、ｐｐ．２７３～２７５、２００８ Ｒｉｃｋｅｒｔ、Ｊ．、「Ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ ａｎｄ ｉｎｄｉｖｉｄｕａｌ ｉｏｎ ａｄｄｒｅｓｓｉｎｇ ｆｏｒ ｑｕａｎｔｕｍ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ」、Ｌｅｏｐｏｌｄ－Ｆｒａｎｚｅｎｓ－Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔａｔ Ｉｎｎｓｂｒｕｃｋ、Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｐｈｙｓｉｃｓ、２０１８
したがって、本発明の目的は、画像表面上に互いに平行な第１の物体側ビーム束セットを撮像するための光学装置を提供することであり、それにより、前記撮像が行われる画像表面内の位置の調整可能性は、必要に応じて、例えば機械的構成要素による調整可能性の形態で、および／またはより多数のビーム束へのより容易なスケーラビリティの形態でも実施することがより容易になる。
この目的の解決策は、請求項１に記載の光学装置によって達成される。
本発明のコア概念は、ビーム束が入力側で平行に延在するようにビーム束が提供されるとき、およびビーム束が再配置されるとき、後続の光学撮像部とのビーム拡張の前に平行性を維持しながら、かつ再配置されたビーム束間のビーム拡張への移行が、再配置されたビーム束を光ビーム拡張部上に向ける光学素子を介して束ねること（すなわち集光）によって、すなわち相互の重ね合わせによって行われるとき、ビーム束の数および／または再配置とは本質的に無関係な形態で後続の光学撮像部との光ビーム拡張部が実装され得るように、ビーム束の撮像位置および／または数に関してより効果的である、ビームの第１の物体側セットを画像面上に撮像する概念が達成され得ることにある。これは、例えば、光ビーム拡張部を用いて、例えばそれぞれがガラスファイバ端部に由来する、互いに平行な第１の物体側ビーム束セットを画像表面上に撮像するための光学装置であって、互いに平行を維持しながら第１のセットの互いに平行なビーム束を再配置して、第２のセットの互いに平行なビーム束を得るように構成された光再配置部と、光ビーム拡張部が第３のセットのビーム束によって到達されるように、第２のセットの１つまたは複数のビーム束を束ねることにより光ビーム拡張部上に向けるように構成された光学素子であって、光ビーム拡張部は、第４のセットの拡張されたビーム束を得るように第３のセットの各ビーム束を拡張するように構成されている、光学素子と、第４のセットの拡張されたビーム束を画像表面または画像平面上に撮像するように構成された光学撮像部、例えば対物レンズと、を備えた、光学装置につながる。
言い換えれば、実施形態は、複数の入力側光源点と出力側目標点との高精度の光学的関連付けを達成することを可能にし、本質的にそれぞれ１つの平面内に配置され得る目標点および／または端点は、これにおいて、すなわち、横方向、方向において必ずしも静止しておらず、光源点と目標点との間隔比は、距離を明確に増加または減少させる撮像を必要とし得る。
例えば、光線光学的な意味での弱収束または弱発散の束は、コリメータ、例えば収束レンズによって入力側の各チャネルに対して生成され得る。例えば、コリメータは、光源の発散性の高い光を取り込み、発散性が低減されたビームを生成する。したがって、低い発散度を有するビームの互いに平行な束がチャネル内で発生する。
前記ビーム束は、適切な曲げ手段を介して個々に曲げられ（方向転換され）てもよく、それにより、それらは、複数の互いに平行な弱く発散する束として、例えば収束レンズまたは放物面ミラーなどの撮像光学素子に衝突する。
この複数の大きく平行な束、弱く収束した束、または弱く発散した束の場合、束の様々な反射角度は、例えば、撮像光学素子への個々の衝突位置のために生じ、その結果、例えば、焦点面内に位置するディスク内など、光学素子の焦点面内で互いに大きく重なり合う。束は、撮像光学素子のために、光線光学的な意味であっても、それらの非コリメート特性、収束性、または発散性を失わないが、焦点面内で束であるというそれらの特性を保持し、各場合において１つの点で一致しない。
束断面は、例えば望遠鏡として実装される光ビーム拡張部によって拡張されてもよい。入力側では、光ビーム拡張部は、束直径の少なくとも１．５倍に相当するサイズを有するべきであり、これらは互いに重なり合うようになる。出力側では、光ビーム拡張部のサイズは、１つには、撮像光学素子の後の中心束の伝播方向から生じる光軸に応じたその位置合わせによって、および別の１つには、撮像光学素子からのその距離から最小化されてもよく、この距離は、望遠鏡がビーム拡張に使用される場合には、撮像光学素子の焦点距離および望遠鏡内の入力側レンズの焦点距離から生じる。この文脈内では、光源点の相互距離および目標点の相互距離から生じる必要な拡張スケール（それぞれの場合に適合される非等距離の平均値を有する）は、対物レンズの焦点距離および撮像光学素子の焦点距離の比によって、ならびにビーム拡張の拡張率によって設定されてもよく、同時に、出力側、光ビーム拡張部、および入力側、対物レンズに存在する束直径は、入力束の発散を適合させることによってそれぞれの要件に適合されてもよい。
光学装置のさらなる実施形態およびさらなる有利な態様は、それぞれ従属請求項に記載されている。以下で説明される実施形態の特徴の効果および利点は、光学装置全体に関して光学装置の光学素子の個々のグループに等しく適用され、互いに交換および／または組み合わせることができる。
有利には、光学装置は、第１のビーム束セットの各ビーム束用の光源を含み、そこからそれぞれのビーム束が光再配置部に衝突する。
好ましくは、モノモードファイバは、ビーム束の光源として使用される。しかしながら、他の実施形態によって定義されるように、たとえこの場合にはコリメーションのための横方向寸法も明らかに大きくなるとしても、マルチモード光源が使用されてもよい。例えば、モノモードファイバに用いられるコリメータは、屈折率分布型レンズであってもよい。
さらに好ましい実施形態では、ビームの弱収束または発散束を生成するための光学装置は、それぞれのビーム束が光再配置部の方向に通過する第１のビーム束セットの各ビーム束に対してコリメータを含む。コリメーションレンズは、例えば光ファイバから、高度に発散するレーザパワーを捕捉し、発散が低減されたビームを生成し、これにより、適度な伝播距離を可能にする。
有利には、光学装置の光学素子は、第２のセットのビーム束と平行に入射する光を、入力側光学素子の前方または後方の光ビーム拡張部の入力側光学素子の焦点距離の２倍よりも小さい点に向かって、またはほぼ２倍よりも小さい距離で束にするように構成される。この文脈内で、第３のビーム束セットのビーム束は、それらの依然として存在する収束または発散のために、所定の領域内の点、例えば円で互いに重ね合わされる。言い換えれば、所定の領域内の焦点面内で互いに重なり合う束は、それぞれ収束および発散のために、光線光学的な意味でも束であるというそれらの特性を維持し、それぞれ１つの点で一致しない。互いに重なり合うように光学素子を通過した各束は、好ましくは、わずかに発散しており、したがって光ビーム拡張部に衝突する。軸から様々な距離で互いに平行に光学素子に向かって収束するビーム束は、光学素子によって偏向され、光学素子の焦点距離において互いに重なり合う。したがって、元の位置／向き、すなわち様々な横方向位置および等しい角度－ビームの近軸束－は、光学素子によって移送されて、光学素子の焦点面で同じ位置を共有するが、それぞれの角度および方向に関して異なる束セットを形成する。
ビーム束の光源は、１次元または２次元の方法で配置されてもよく、再配置は、１次元または２次元の方法で実施されてもよい。
特に好ましい実施形態では、重ね合わせが行われる光学素子の焦点面の上記距離は、入力側光学素子の焦点距離の０．５倍～１．５倍の範囲である。
さらにより好ましい実施形態では、距離は、
Figure 2022539890000002
として、ｆＴ１＋Δの０．５倍～１．５倍の範囲であり、
式中、ｆＴ１は入力側光学素子の焦点距離であり、ｆＴ２は光ビーム拡張部の出力側光学素子の焦点距離であり、ｆＴ１およびｆＴ２は共に望遠鏡を構成する。
このように光ビーム拡張部の入力側光学素子の前方に束を重畳させることで、出力側光学素子の照明を効果的に重畳させることができ、多数のビーム束であっても出力側光学素子を小型に構成することができる。
有利な実施形態によれば、光学撮像部は、その点における第４のビーム束セットのビーム束の断面の１．５倍以上の直径を有する。この位置では、ガウス束の完全な重ね合わせが可能である。
有利な実施形態による単純で低コストの設計は、光学素子が一段または多段屈折光学部として構成されることを可能にする。
有利な実施形態による特にコンパクトな設計は、光学素子が反射光学部、好ましくは放物面ミラーとして構成されることを可能にする。
好ましい実施形態によれば、光再配置部は、第１のビーム束セットと比較して、ビーム束の横方向の配置に関して、第２のビーム束セットの再配置を設定するように制御されてもよい。結果として、ビームの個々の束は、例えば、ビーム束の特に密な配置を達成するように、またはビームの元の束を互いに規定の距離に配置するように、重ね合わせられ、元の位置から変位され得る。換言すれば、再配置部は、１つおきのビームの出力側の束が到来する第１のビーム束のうちの１つと排他的に関連付けられるように、かつビーム束の横方向の相互配置が第１のビーム束セットと第２のセットとの間で変化するように、互いに平行性を維持しながら到来するビーム束を再配置する。
製造および設定が簡単な実施形態によれば、光学装置の光再配置部は、機械的に調整可能なミラーを備える。
機械的に調整可能なミラーの容易な調整または設定のために、一実施形態による光学装置は、ベアリング、例えばばね接続または可動ベアリングを含み、それを介して機械的に調整可能なミラーは、入射ビーム束と平行になど、直線的に移動可能である。直線運動によって、ビーム束は、それらの相互平行性が維持されながら再配置され得る。結果として、光源
Figure 2022539890000003
から発生し、異なる空間位置に位置するビームの近軸束の本来の剛性位置は、互いに平行に変位することができる。
可能な限り正確なビーム束の再配置または整列を保証するために、光再配置部は、例えばミラーの直線運動のための機械的および／または圧電的および／または磁気的に制御可能な作動素子を備えることができる。そのような作動素子によって、ビーム束の非常に正確な制御を達成することができる。
好都合には、光学装置の光再配置部は、第１のビーム束の各ビーム束が、第２のビーム束のビーム束になるように光再配置部を通過するときに、再配置のいかなる設定にも依存しない、または一旦再配置されるとビーム束のいかなる位置にも依存しない距離をカバーするように、カバーされる距離が維持されるように再配置を達成するように構成される。したがって、カバーされる距離に依存する束のいかなる変化も回避される。したがって、それらは、選択されたまたは設定された再配置にかかわらず、同じ直径および／またはウエスト位置を有する光学素子に衝突する。
有利な実施形態によれば、光再配置部は、光学装置の光路に沿って調整可能なミラーの背後に配置された剛性ミラーを備える。配置は、剛性ミラーおよび調整可能なミラーを用いて、曲げ角度が各場合で９０°になるようにすることができる。このようなミラーを配置することは、ビーム束のすべてが調整可能なミラーを離れると同じ方法で曲げられる場合に特に有利である。
別の有利な実施形態によれば、光再配置部は、第２のビーム束セットがビーム方向、すなわち第１の束セットにも平行になるように、互いにおよびビーム方向との平行性を維持しながら、ビーム方向に平行な第１のビーム束セットを再配置するように構成される。平行度を維持することは、ビーム束の特性および／または配向の本質的に均一な変化の観点から、反射または屈折光学素子への衝突に関して特に好都合である。
一実施形態によれば、光ビーム拡張部は屈折望遠鏡として構成される。
さらに好ましい実施形態によれば、光ビーム拡張部は、反射望遠鏡として構成される。このような反射望遠鏡を用いた光学装置は、光ビーム拡張部内の色収差を回避する。
光学装置の一実施形態では、第１のビーム束セットは、高強度の単色光を含む。単色光は、光学装置の様々な光学素子によって誘導されるビームの個々の束の特性が本質的に同じままであり、したがって同じ方法で制御され得るので、画像平面内の物体の正確な測定および／または位置特定を可能にする。
いくつかの実施形態は、例として図面に示されており、以下に説明される。
一実施形態による光学装置の概略図である。 ガウスビームおよび／またはガウスビーム束の従来のモデルを説明するための概略図である。 一実施形態による、直線的に配置されたモノモードファイバを有する再配置部の図である。 有利な実施形態による、ビーム拡張のための望遠鏡によるビーム束の束重ね合わせおよびビーム拡張を説明するための簡略図である。 束の不利な重畳を伴う望遠鏡によるビーム拡張を説明するための簡略図である。 有利な実施形態による、ビーム束を重ね合わせるための最適条件を説明するための、望遠鏡による束の重ね合わせおよびビーム拡張を説明するための簡略図である。 不都合なことに高度にコリメートされたビーム束による対物レンズの非最適照明を説明するための、望遠鏡による束の重畳およびビーム拡張を説明するための簡略図である。 ビームウエストのサイズに関する表示を含む、図１の実施形態による望遠鏡によるビーム拡張を説明するための簡略図である。 一実施形態による屈折光ビーム拡張部を使用している間の光学装置の光路を説明するための簡略図である。 さらなる実施形態による、反射光ビーム拡張部を使用している間の光学装置の光路を示すための簡略図である。
以下では、図面を参照して実施形態をより詳細に説明するが、同一または類似の機能を有する要素には同一の参照番号が付されている。
図１は、一実施形態による光学装置１００の概略図を示す。これに関連して、光学装置１００は、複数の相互に平行なビーム束を画像表面１９０上に撮像するためのマルチチャネル光学機械アドレス指定部に対応する。光源１１０から開始して、ビームの１つの束である第１のセットＳ１を形成するいくつかのビーム束が、光学装置１００を介して画像表面１９０上に向けられる。第１のセットＳ１の個々のビーム束は、互いに平行になるように整列される。言い換えれば、入力平面内の異なる光源点
Figure 2022539890000004
は、画像表面１９０内の特定の目標点
Figure 2022539890000005
に関連付けられるか、または画像化される。
１つまたは複数のモノモード光源は、第１のビーム束セットＳ１のビーム束の光源１１０として機能し得る。レーザ源からの光は、例えば、スプリッタを介して、１つのモノモードファイバからいくつかのモノモードファイバに伝送され、その端部は、その後、セットＳ１のビームの個々の束の源として機能するか、またはビーム束のセットＳ１を提供するために、ファイバ結合なしまたはファイバ結合ありのいくつかのモノモードレーザを使用する。
第１のビーム束セットＳ１のビーム束は、再配置部１３０、１４０に転送される。これは、例えば、束および／またはチャネルごとに、屈折率分布型レンズなどのコリメータ１２０によって行われてもよい。
第１のビーム束セットＳ１は、単色光を含み得る。モノクロ特性は、量子コンピュータにおけるような光学装置１００の応用の技術分野に起因し得るが、色収差を回避するために他の応用分野においても有利であり得る。
上記の説明の代替として、第１のセットＳ１のビーム束はまた、マルチモード光源、すなわちマルチモードレーザまたはマルチモードファイバから生じてもよい。セットＳ２の各チャネルおよび／または束に対して、適切なコリメータを設けることができる。この場合、ビーム束をコリメートするための寸法は、おそらくモノモードの変形例よりも大きくなり得る。例えば、セットＳ１の各束は、マルチモードファイバ、ＶＣＳＥＬ、またはＶＣＳＥＬアレイのチャネルに由来する。マルチモード生成の場合、セットＳ１の束は、ＶＣＳＥＬのアレイによって生成され、続いて各ＶＣＳＥＬのマイクロレンズアレイおよび／または１つ以上のマイクロレンズによって生成され得る。
再配置部は、互いに平行を維持したまま、互いに平行な第１のビーム束セットＳ１を再配置することにより、互いに平行な第２のビーム束セットＳ２を得る。続いて、再配置部が機械的に調整可能であるか、または異なる再配置に設定され得る実施形態について説明する。
互いに平行な第２のビーム束セットＳ２は、再配置部１３０、１４０を介して、光ビーム拡張部１６１、１６２が第３のビーム束セットＳ３によって到達されるように、光ビーム拡張部１６１、１６２上に１つまたは複数のビーム束の第２のセットＳ２を束ねて導くように構成された光学素子１５０に導かれる。光学素子１５０は、ビーム束の第２のセットＳ２と平行に入射する光を、入力側光学素子Ｔ１の前後の光ビーム拡張部１６１、１６２の入力側光学素子Ｔ１の焦点距離
Figure 2022539890000006
の２倍以下の距離
Figure 2022539890000007
＋Δの地点Ｘの位置に向かって束ねるように構成されている。好ましくは第２のセットのビーム束の各々に固有の発散のために、第３のセットＳ３のビーム束は、拡張領域内の点Ｘにおいて互いに重なり合う。換言すれば、セットＳ２の各ビーム束は、光学素子１５０によって曲げられ、セットＳ３の束のうちの１つの束として点Ｘに向けられ、それにより、セット３の他の束と重ね合わされる。重畳は、拡張された表面積内で行われる。第３のセットＳ３の束が点Ｘに向けられる方向は、セットＳ２のビームの対応する束が光学素子に衝突する横方向の位置に双方向に依存する。
図１の実施形態では、光学素子１５０は、一段屈折光学部として構成されている。さらなる実施形態によれば、光学素子１５０はまた、多段屈折光学部または反射光学部として構成されてもよい。
図１の本実施形態では、ビーム束の第３のセットＳ３の重ね合わせの点Ｘは、入力側光学素子Ｔ１、例えば、光ビーム拡張部１６１、１６２によって形成された望遠鏡の収束レンズの前に位置する。光ビーム拡張部１６１、１６２は、ビーム束の第４のセットＳ４を得るように、ビーム束の第３のセットＳ３の各ビーム束を拡張するように構成されている。図１において、光ビーム拡張部１６１、１６２は、入力側にレンズＴ１を備え、出力側にレンズＴ２を備える望遠鏡から形成される。ビーム束の第４のセットＳ４は、光ビーム拡張部１６１、１６２の下流に配置された光学撮像部１７０を介して画像表面１９０上に撮像される。これに関連して、光学撮像部１７０は、図１の実施形態では、拡張されたビーム束の第４のセットＳ４を画像表面１９０上に集束させるように構成される。
ここでは２つの光学素子またはレンズＴ１、Ｔ２を備える望遠鏡として示されている光ビーム拡張部１６１、１６２によって、ここでは光学撮像部１７０の入力側表面である平面上にビーム束の第３のセットＳ３のうちの望遠鏡の前の点Ｘで本質的に互いに重ね合わされるビーム束を重ね合わせて、ビーム束の第３のセットと比較して拡張された束直径を有し、束間の束伝播方向のばらつきが少ないビーム束の第４のセットＳ４を形成することを管理し、ビーム束の第４のセットＳ４は、光学撮像部１７０によって画像平面１９０上に集束される。
例えばイオンへの集束に適したモノモードガウス束は、ガウスビーム光学の法則に従う。例えば、図１の実施形態などの本発明の実施形態は、画像平面１９０上に集束された束のウエストサイズを生成することを管理し、これは非常に小さく、光学撮像部１７０のサイズまたは直径および波長のみに本質的に依存し得るが、セットＳ１～Ｓ４内のビーム束の数とは本質的に無関係である。これを説明するために、最初に図２を参照する。
図２は、本明細書に列挙された実施形態による、ビーム束の挙動を計算し描写するための近似の目的で使用されるガウスビームまたはビームのガウス束の従来のモデルを示す図である。
したがって、波長のビーム束は、
Figure 2022539890000008
（１）
に従って、対応するウエストｗ０および角度
Figure 2022539890000009
によって特徴付けられ、また、ウエスト
Figure 2022539890000010
からの距離
Figure 2022539890000011
に応じたビーム半径
Figure 2022539890000012
（２）
によって特徴付けられ、式中、ｚ０はレイリー長であって、
Figure 2022539890000013
（３）
であり、これにより、ビーム半径はウエスト値
Figure 2022539890000014
の√２倍に拡大される。
光学素子によって、ガウス形のウエストが互いに変換され、束断面はウエスト
Figure 2022539890000015
から離れるにつれてサイズが増大し、ウエスト
Figure 2022539890000016
に向かって先細になる。
光学経路または光束経路内に配置された光学素子の照射領域は、ビーム束の開口角
Figure 2022539890000017
およびウエスト平面からの距離
Figure 2022539890000018
に関連する。ウエストサイズが小さいほど、束の開口の角度が大きくなり、これは、光学素子およびウエストから所与の距離を有すると、それに応じて光学素子の照明領域が大きくなることを意味する。ビームのガウス束内に９９％より大きい十分なエネルギー包含を確保するために、光路内に配置され、束を制限する効果を潜在的に有する要素は、この点に存在する束半径の少なくとも３倍の直径をさらに有する必要がある。
既知の技術的手法では、点線で示されている、光軸ＯＡに向かって著しく傾斜した軸外束または束は、光学素子のそれぞれのサイズおよび品質に課される要件が増加する傾向、または光学素子のサイズが限られていると、ビーム強度のガウス分布の部分的遮断によって引き起こされる伝送損失が生じる傾向を有する。対応する効果は、例えば、光源点
Figure 2022539890000019
を目標点
Figure 2022539890000020
に関連付けるために必要な光源側配置またはビーム偏向のために生じる。
本発明の一実施形態によれば、例えば、対物レンズとして構成された光学撮像部１７０の直径は実質的に大きくなく、焦点距離は、画像表面１９０内の目標点
Figure 2022539890000021
の空間分解されたアドレス指定を可能にするサイズｗｔａｒｇｅｔのウエストを生成するために必要なもの、およびガウス束の９９％より大きい透過を達成するために必要なものよりも実質的に小さくない。対物レンズ１７０は、焦点距離
Figure 2022539890000022
および直径Ｄｏｂｊを含み、画像表面１９０に対応するその焦点面内のビーム束を、撮像タスクの要件に適合したガウスウエストＷｔａｒｇｅｔに変換する。
例えば対物レンズの光学撮像部１７０の開口部は、この文脈では、
Figure 2022539890000023
（４）
によってサイズが規定される開口数（ＮＡ）と呼ばれる。
（１）および（４）によれば、９９％より大きい透過率の要求を考慮しながら、対物レンズが最小で有さなければならない開口角は、
Figure 2022539890000024
（５）、
によって決定され、目標面からの対物レンズの距離および／または目標面の拡張などの設定の技術的条件は、対物レンズの焦点距離および／または直径を指定する。
したがって、光学機械システムの実施形態では、各チャネルについて、対物レンズに衝突する拡張された束が、技術的条件に従って決定された対物レンズの直径内に留まり、対物レンズをほぼ完全に照明するように、光再配置部による光学機械ビーム曲げおよび光ビーム拡張部によるビーム拡張が構成されてもよい。
上記のようにして、本発明の実施形態は、複数の入力側光源点
Figure 2022539890000025
と、目標平面または画像表面内の出力側目標点
Figure 2022539890000026
との高精度の関連付けを同時に可能にし、目標点
Figure 2022539890000027
は必ずしも静止していない。例えば、漂遊磁場によって影響を受ける負荷依存イオン間距離またはイオン位置は、例えばイオントラップ内で追跡することができる。対物レンズによって光軸ＯＡに関して中心合わせされ、その直径に関して設定され、適切な微小光学機械によって可能にされる光学的全体配置は、開口数に関する仕様が本質的に目標面内の分解能要件のみに依存し、それらの焦点距離に関して、本質的に構造関連の理由による作動距離のみに依存する対物レンズの使用を可能にする。例えば、画像表面１９０がイオントラップ内にある場合、上述の作動距離は、例えば、真空窓の厚さおよび窓からのトラップの距離によって与えられ得る。したがって、より大きなイオン数へのスケーリング動作は、より大きな開口数またはより大きな直径を有する明らかにより高価な対物レンズによって、他の光学機械的アプローチの場合のように制限されない。同様に、装置１００を適用する他の技術例についても同様である。本発明の実施形態で使用することができる限定された対物レンズ開口数は、さらに、より大きな焦点深度に起因して、例えばイオン面などの画像表面１９０に関して対物レンズを長手方向に調整するために必要な費用を制限する。折り畳まれ、対物レンズとは別に純粋に反射性である光学部は、独立した波長でもあるコンパクトな構成を可能にし、したがって、例えば４０Ｃａ＋、１３８Ｂａ＋または他のイオンを含むイオントラップなどの様々な用途の場合に使用することができる。
特定の実施態様では、図１の装置は、簡単にするために画像表面１９０内の線形配置、例えばポールトラップなどのイオントラップ内の４０Ｃａ＋イオンの線形配置のために、光学機械アドレス指定部を実現するために以下のように寸法決めされてもよい。互いに平行に延在する第１の物体側ビーム束セットＳ１の光源１１０として、入力側モノモードファイバの適切な線形配置を使用することができる。光源１１０の距離については、ファイバ径、コリメーションレンズ１２０の直径、および必要なチャネル距離が、機械システムの部分で考慮されるべきである。機械的システムによって決定される５００μｍの基準グリッドを想定する場合、５００μｍ未満の直径を有するコリメーションレンズ１２０が選択されるべきである。光源が異なる、例えば反対側に位置する平面内に配置され得る場合、１ｍｍ未満の直径を有するコリメーションレンズ１２０が可能である。イオントラップ内の４０Ｃａ＋イオンの距離について、例えば約５μｍの平均値を推定することができ、これにより、それらの距離について１００：１の画像化スケールが得られる。４０Ｃａ＋イオンの光学装置１００または光学アドレス指定部の波長は、７２９ｎｍになる。約２．５μｍの供給モノモードファイバ１１０のモードフィールド半径は、近似的に、入力ガウスウエストであると考えることができる。再配置部１３０、１４０は、光路内に配置され、その側がチャネル距離によって設定される上限を有するが、ビーム束径を制限する。したがって、この位置では、束半径を１５０μｍ未満に保つ必要がある。イオントラップの中心における個々のイオン間距離が５μｍ未満である場合、例えば調整可能なミラー１３０の曲げ要素のサイズを５００μｍ未満になるように選択することが有利である。すなわち、好ましくは、曲げ要素１３０、１４０における束直径
Figure 2022539890000028
は、１００μｍよりも小さくなるように選択されなければならない。図１は、コリメーションレンズ１２０の背後で弱く収束する束を有する有利な実施態様を示す。
撮像スケールを実現するために、光ビーム拡張部、光学素子１５０の焦点距離
Figure 2022539890000029
、および対物レンズの焦点距離
Figure 2022539890000030
は、適切な寸法にされるべきである。一般性を失うことなく、光源点Ｙの距離と目標点
Figure 2022539890000031
の距離との間の相関については、いずれの場合もｙ方向における線形配置として、光学撮像素子１５０が焦点距離
Figure 2022539890000032
を有し、光ビーム拡張部１６１、１６２が焦点距離ｆＴ、１およびｆＴ、２の２つのレンズＴ１、Ｔ２を有する望遠鏡であると仮定すると、以下の相関が式の形で見出され得る。
Figure 2022539890000033
（６）
光学撮像素子１５０が曲率半径Ｒｃ＿ｍｉｒｒを有する放物面ミラーとして構成されている場合、（６）は適切な相関をもたらす。
Figure 2022539890000034
（７）
（６）および／または（７）について、平行に整列された線源平面としてのファイバの距離は、平行性を維持しながら、適切な再配置部１３０、１４０および／または光学機械システムの部分で、撮像光学素子１５０の光軸ＯＡからの距離に１：１の比で平行移動されると仮定するものとする。
再配置部１３０、１４０が、上述の平行度要件を維持しながら、光軸ＯＡからの距離を表す撮像光学素子上で
Figure 2022539890000035
によって指定された位置への光源位置
Figure 2022539890000036
の変換を可能にする場合、光源点と目標点との自由な関連付けは、
Figure 2022539890000037
（８）
によって、
および／または、撮像光学素子としての放物面ミラーの場合、
Figure 2022539890000038
（９）
によってアドレス指定され得る。
光源位置
Figure 2022539890000039
と位置
Figure 2022539890000040
との関連付けの可能な実装形態は、例として図３に概説されている。関連付けの変動性を示す目的で、様々な可能性が例示的な方法で示されており、適用の場合は、Ｎ個の光源チャネルまたは光源点
Figure 2022539890000041
とＮ個の目標チャネルまたは目標点
Figure 2022539890000042
との全単射関連付けを提供する。
一例として、０．３のＮＡを有する対物レンズを仮定すると、イオン面内の７２９ｎｍの波長に対して１．５μｍ未満のウエストサイズを生成することができる。前記ウエストサイズは、約５μｍの距離に位置するイオン位置の正確なアドレス指定を可能にする。１０ｍｍを超える厚さの真空窓の背後でのイオントラップの動作を可能にする３０ｍｍの焦点距離を想定し続け、１０：１の撮像スケールに典型的な光ビーム拡張部１６１、１６２を使用する場合、光源点
Figure 2022539890000043
の距離と目標点
Figure 2022539890000044
の距離との比に対応する１００：１の撮像スケールは、３００ｍｍの焦点距離を有する光学素子１５０、例えば６００ｍｍの曲率半径を有するミラーを用いて実施される。
例えば、図１などの本出願の実施形態では、光ビーム拡張部１６１、１６２は、放物面ミラーからｆＯＥ＋ｆＴ１＋Δの適切な距離に配置される。したがって、束の重ね合わせの位置または点Ｘは、望遠鏡の第１のレンズＴ１の前の距離ｆＴ、１＋Δにあり、その結果、束は、例えば図１および図４に示されるように、望遠鏡の出力側の中心に置かれる。Δを決定する可能性は以下で推定される。
それに応じて与えられるおよび／または要求される光ビーム拡張部の対物レンズおよび／または出力直径の照射は、本質的にファイバ側光コリメーション部１２０で設定される。従来のマイクロレンズが使用される場合、設定は、所望のわずかな収束または発散が達成されるように、物体距離が公称焦点距離ｆから数％逸脱するように選択されるという事実から生じる。例えば、レーザまたはファイバ出力などの光源とコリメータとの間の距離は、公称焦点距離の０．９倍～１．１倍の範囲である。
本発明の実施形態の意図された適用分野は、既に上述したように、イオントラップ内の複数のイオンの同時アドレス指定が必要な部分的タスクを提示する量子技術である。様々な他の応用分野内にも同等のタスクがあり、それらは通信技術内、センサシステム内、または産業応用におけるビーム誘導の分野内にあり得る。
図３は、ここでは例として直線的に配置されているモノモードファイバに由来するビーム束を備える再配置部１３０、１４０の概要を示している。図３の実施形態では、それぞれのモノモードファイバは、光学的意味で弱収束性および／または弱発散性であるビーム束を生成する個々のコリメータ１２０ａ～１２０ｄを備える。光源点
Figure 2022539890000045
に対応するビーム束の個々の位置ｐｏｓ．１～４は、ビーム束ごとに適切に移動可能および／または調整可能なミラー１３０ａ～１３０ｄおよびビーム束のすべてに設けられた剛性ミラー１４０によって、光学素子１５０上の位置ｐｏｓ１’～４’に関連付けられる。この文脈内で、ビームの個々の束は、相互に変位されるだけでなく、再配置されてもよい。図３では、位置ｐｏｓ１～４からｐｏｓ．１’～４’への個々の変位が矢印で示されている。調整可能ミラー１３０ａ～１３０ｂは、好ましくは直線運動を可能にするように支持される。実施形態に応じて、光再配置部１３０、１４０全体またはその一部は、機械的および／または圧電的および／または磁気的に制御可能な作動素子によって制御されてもよい。光学装置１００の光路に沿って、光再配置部１３０、１４０は、光路において調整可能ミラー１３０の背後に配置され、ビーム束がそれを介して光学素子１５０に向けられる剛性ミラー１４０を備える。
図３の例によって示されるように、光再配置部１３０、１４０は、カバーされる距離が維持されるように、位置の再配置、ここではｐｏｓ１～４からｐｏｓ．１’～４’の再配置を達成するように構成されてもよく、第２のビーム束セットＳ２のビーム束になるか、またはそれに寄与するように光再配置部１３０、１４０を通過するときに、第１のビーム束セットＳ１の各ビーム束が、再配置の任意の設定とは無関係の距離をカバーする。さらに、光再配置部１３０、１４０は、第２のビーム束セットＳ２がビーム方向と平行になるように、またはビーム方向と平行になり続けるように、互いに、かつビーム方向と平行を維持しながら、ビーム方向と平行な第１のビーム束セットＳ１を再配置するように構成されている。
目標点
Figure 2022539890000046
の最適な照明を可能にする光学装置１００の個々の光学部品に関する好ましい設定について、いくつかの連続図を参照して以下に説明する。
図４は、有利な実施形態による、望遠鏡によるビーム束の束重ねおよびそれらのビーム拡張を説明するための簡略図を示す。問題を単純化するために、図示されているのは、個々のビーム束のコリメータ１２０から始まる光路であり、再配置部１３０、１４０は図示されていない。光学素子１５０に向けられたビーム束は、わずかな収束または発散のみを示し、図では点線として示されている光軸ＯＡと平行に延在する。ビームの個々の束は、光学素子１５０によって偏向される。次いで、ビーム束が収束するのは光学素子１５０の焦点距離
Figure 2022539890000047
内であり、すべてのビーム束の共通の中心は、光学素子１５０の焦点内に位置する点Ｘによって画定される。この文脈内で、点Ｘの位置は、光ビーム拡張部１６１、１６２の入力側光学素子または入力側レンズＴ１の前に所定の距離
Figure 2022539890000048
＋Δで配置される。本実施形態では、入力側レンズＴ１からの点Ｘの距離は、光ビーム拡張部１６１、１６２によるビーム束の拡張が、出力側レンズＴ２を実質的に完全に照明するように、ならびにその下流に配置された例えば対物レンズなどの光学撮像部１７０が、例えば拡張された各ビーム束に関して５０％超、具体的には例えば５０％超を照明するように設定される。光学素子１５０によって、ビーム束の元の位置／向き、すなわち、ビームの近軸束の様々な位置および同一の角度は、同じ位置および様々な角度に伝達される。光源１１０、例えばモノモード光源はまた、一次元または二次元に配置されてもよい。
図５は、さらなる実施形態による、望遠鏡によるビーム束の束重ねおよびそれらのビーム拡張を説明するための簡略図を示す。図４とは異なり、図５では、望遠鏡の入力側光学素子または入力側レンズＴ１から距離を置いた点Ｘの位置は、出力側光学素子または出力側光学レンズＴ２または下流対物レンズ１７０においてビーム束が必ずしも互いに重なり合わないように決定される。したがって、図５は、光ビーム拡張部１６１、１６２の光学素子１５０と入力側光学素子１６１との間の距離が適合されていない束の光路を示す。
光軸ＯＡから異なる距離にある光源から平行に発するすべてのビーム束の事実を考慮した、光学装置の有利な設定または寸法設定は、図６によって説明されるように、出力側光学素子１６２または出力側レンズＴ２において、ならびに光ビーム拡張部１６１、１６２の下流に接続された対物レンズ１７０において互いに完全に重なり合う。図４および図５を見ると、光学装置１００を通って延びる光路の違いを明確に識別することができる。
図６によって、一実施形態によるビーム束の最適な重ね合わせのための上述の寸法が示される。この目的のために、事項を簡単にするために、個々のビーム束の重ね合わせの位置に点Ｘを含む図４および図５の部分、ならびに光ビーム拡張部１６１、１６２のみが示されている。要求される条件は、撮像光学素子１５０の後の距離
Figure 2022539890000049
で一致するビーム束の束中心が、望遠鏡の出力側光学素子または出力側レンズＴ２の平面内で再び一致することである。図６では、個々のビームは、撮像光学素子１５０の異なる位置から発生し、光ビーム拡張部１６１、１６２に向かって延びるビームの個々の束のそれぞれの中心を表す。条件は、以下が適用される撮像タスクとして定式化することができる。
点Ｘ、すなわち物体点は、光軸ＯＡ上に位置し、ビーム束の中心、すなわち束中心のすべてが一致する位置である。点Ｘは、レンズＴ１によって像距離
Figure 2022539890000050
＋
Figure 2022539890000051
で、同じく光軸上に位置する像点に結像される。撮像タスクを満たすための定義量は、物体点ＸとＴ１との間の距離である。
この目的のために、
Figure 2022539890000052
（ＥＤ１）：
オブジェクト幅ｓとして、量ｆＴ１＋Δ
画像距離ｓ’として、量ｆＴ１＋ｆＴ２
焦点距離ｆとして、量ｆＴ１、
が撮像方程式に挿入され、その結果、決定されるべき量Δは、
Figure 2022539890000053
（ＥＤ２）
になる。
代替実施形態によれば、Δは、ＥＤ２による値の±５０％の範囲内に位置すれば十分である。
対物レンズ１７０内の束重畳の場合、Ｔ２と対物レンズ１７０との間の有限距離が考慮されるべきとき、例えばさらなる光学素子がそこで光路に導入されるべきとき、Δのわずかな修正が生じる。
図７は、ビーム束が極度にコリメートされた場合に対物レンズ１７０の照明が不十分であることを説明するために、前述の図４～図６と同様にレンズＴ１、Ｔ２を備える望遠鏡の手段である束重畳およびビーム拡張を説明するための簡略図を示す。光ビーム拡張部１６１、１６２および／または光ビーム拡張部１６１、１６２の下流に接続された対物レンズ１７０の出力側光学素子または出力側レンズＴ２の照射は、撮像光学素子１５０に衝突するビームの平行な束が特定の収束または発散を示すように、言い換えれば、それらが理想的にコリメートされないように設定される。これは、図４において、撮像光学素子１５０の左から、ビームのガウス束を示すビームの個々の束の曲線を集めてもよい。
図７から、非常に強くコリメートされたビーム束の場合、ビーム束は、出力側光学素子Ｔ２および／または光ビーム拡張部１６１、１６２の下流に接続された対物レンズ１７０のごく一部のみを照射することを認識することができる。
図８は、図２のガウスビームの説明に関連して、一実施形態による望遠鏡によるビーム拡張を説明するための簡略図を示す。図８は、光源点
Figure 2022539890000054
と目標点
Figure 2022539890000055
との距離が１００倍異なる実施形態を説明する。したがって、図８のウエストサイズから収集され得るように、ビーム束、または束ウエストのサイズも縮小される。サイズを１００：１に縮小するための開始点は、光源１１０のビーム束のウエストではなく、理想的なコリメーションを実行するように設定されていないコリメーションレンズ１２０によって生成されるウエストである。実施形態では、後者は８９マイクロメートルに達し、対物レンズの焦点面内のサイズの１００：１の縮小によって、０．８９マイクロメートルのウエストサイズに変換される。
図９は、一実施形態による屈折光ビーム拡張部１６１、１６２を使用している間の光学装置１００の光路を説明するための簡略図を示す。図１の実施形態とは異なり、図９の実施形態は、反射光学素子１５０を備える。反射撮像光学素子１５０は、例えば放物面ミラーであってもよい。反射撮像光学素子１５０（放物面ミラー）を含む実施形態では、光源１１０またはコリメータ１２０は、シャドーイングが生じないように特定の角度で配置される。
図１０は、反射光ビーム拡張部１６５、１６６を使用している間の光学装置１００の光路を説明するための簡略図を示す。図１および図３から図９の上記で説明した実施形態とは異なり、図１０の実施形態は再配置部１３０、１４０を含まない。ビーム源１１０の個々の平行なビーム束は、単にビーム源１１０のコリメータ１２０の上方で、撮像光学素子１５５に直接導かれ、そこからビーム束は、２つの放物面ミラーを含む反射望遠鏡の形態の光ビーム拡張部１６５、１６６を介して対物レンズ１７０に送られ、対物レンズを介して画像表面１９０にビームが集束される。
これらの結果をもたらした研究は、欧州連合によって支援されている。
１００ 光学装置
１１０ 光源
１２０ａ～１２０ｂ コリメータ
１３０ａ～１３０ｂ 調整可能なミラー
１４０ 静止剛性ミラー
１５０ 撮像光学素子
１５５ 撮像光学素子（放物面ミラー）
１７０ 光学撮像部、対物レンズ
１９０ 画像表面、または画像平面
１６１、１６２ 光ビーム拡張部（屈折望遠鏡）
１６５、１６６ 光ビーム拡張部（反射望遠鏡）
ＰＯＳ１～ＰＯＳ４ 再配置前のビーム束の位置
ＰＯＳ１’～ＰＯＳ４’ 再配置後のビーム束の位置
Ｔ１ 入力側光学素子（１６１）または入力側レンズ鏡筒
Ｔ２ 出力側光学素子（１６２）または出力側レンズ鏡筒
Figure 2022539890000056
光学素子（１５０）の焦点距離
Figure 2022539890000057
入力側素子光学系Ｔ１の焦点距離
Figure 2022539890000058
出力側光学素子Ｔ２の焦点距離
Ｄ 直径
Δ 偏差
Figure 2022539890000059
角度
Figure 2022539890000060
波長
Figure 2022539890000061
光源点または光源位置
Figure 2022539890000062
画像表面（１９０）上の目標点または目標位置
Figure 2022539890000063
放物面ミラーの半径（焦点距離）
Figure 2022539890000064
撮像光学素子上の位置
Figure 2022539890000065
撮像光学素子上の位置
本発明は、互いに平行な物体側ビーム束セットを画像表面上に撮像するための装置に関する。
いくつかの光ファイバによって提供され得る多数の光源からの光が、画像平面内の非常に小さな領域に向けられる用途の場合がある。この例として、光ビームが適切なイオントラップ内に位置するイオンに向けられる量子コンピューティングがある。イオン間距離は数マイクロメートルになる。使用される光の波長は、使用されるイオンの仕様に依存し、典型的にはＵＶ～ＮＩＲの範囲である。トラップ内のイオン間の距離は、様々なパラメータに依存する。トラップに異なる数のイオンが装填されると、イオン間距離の顕著な変化が生じる。例えば、トラップ内の干渉場のために、わずかな変化が生じる。したがって、焦点位置の高度に正確な追従性と同時に、可変に調整可能であり得る方法でイオントラップ面内の領域にビームを向けることが可能であるべきである。
しかしながら、例えば光通信などの他の技術分野においても同様の問題が生じる。
異なるイオンをアドレス指定する単純な変形は、Ｃｒａｉｎ、Ｓ．ｅｔ ａｌ．、「Ｉｎｄｉｖｉｄｕａｌ ａｄｄｒｅｓｓｉｎｇ ｏｆ ｔｒａｐｐｅｄ １７１Ｙｂ＋ｉｏｎ ｑｕｂｉｔｓ ｕｓｉｎｇ ａ ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍｓ－ｂａｓｅｄ ｂｅａｍ ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ」、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、ｐｐ．１８１１１５、１～４、２０１４に記載されているように、単一の光源を使用して個々のイオンを順次アドレス指定することにある。しかしながら、イオン数が増加するにつれて、様々なイオン位置でＱｕｂｉｔ演算を高速に実行するためのボトルネックになる。さらに、Ｃｒａｉｎ、Ｓ．ｅｔ ａｌ．、またはＫｎｏｅｒｎｓｃｈｉｌｄ、Ｃ．ｅｔ ａｌ．、「ＭＥＭＳ－ｂａｓｅｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｂｅａｍ ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｑｕａｎｔｕｍ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｉｎ ｔｗｏ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ａｔｏｍｉｃ ｓｙｓｔｅｍｓ」、Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、ｐｐ．２７３～２７５、２００８にも記載されているように、より大きなイオン数を含めることに関してスキームを拡張すると、中間像面のサイズが増大し、したがって、後続の光学撮像部に課される要求が増大する。
ＭＥＭＳミラーアレイでは、マルチチャネル入力の位置を受信機平面内の目標位置に関連付けることができる。ファイバスイッチ構成では、コリメーションおよび同一の集束レンズが、典型的には、実現されるべき１：１画像形成のための入力側チャネルおよび出力側チャネルにおいて使用される。この文脈内で、ミラーアレイは、入力と出力との任意の関連付けについて、束が出力側で、中心上かつ垂直に対応するチャネル位置に衝突することをもたらした。これは、出力チャネルの固定配置に従って出力側ミラーの所定の固定された位置決めを必要とする。その結果、出力チャネルの可変位置は、そのような構成では達成することが困難である。
ファイバアレイ内の固定入力側光源位置に基づいて、ＭＥＭＳミラーアレイは、中間結像が使用されることなくイオン位置をアドレス指定するための下位光学素子に関連して使用され得る：Ｒｉｃｋｅｒｔ、Ｊ．、「Ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ ａｎｄ ｉｎｄｉｖｉｄｕａｌ ｉｏｎ ａｄｄｒｅｓｓｉｎｇ ｆｏｒ ｑｕａｎｔｕｍ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ」、Ｌｅｏｐｏｌｄ－Ｆｒａｎｚｅｎｓ－Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔａｔ Ｉｎｎｓｂｒｕｃｋ、Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｐｈｙｓｉｃｓ、２０１８を参照されたい。この文脈内では、ファイバから始まるコリメートされた束が膨張される。次の対物レンズは、その焦点面内の束を撮像タスクの要件に適合したガウスウエストに変換する。しかしながら、光軸の外側に位置する光源位置、ならびに焦点面内の位置の所望のシフトを実現する光軸に向かう傾斜は、光学部が広く開かれていない場合に伝送損失をもたらす。したがって、光学装置のサイズが制限されている場合、チャネルの数は最初から制限されたままであるため、光部の直径自体をチャネルの数でスケーリングする手法は適切ではない。
Ｃｒａｉｎ、Ｓ．ｅｔ ａｌ．、「Ｉｎｄｉｖｉｄｕａｌ ａｄｄｒｅｓｓｉｎｇ ｏｆ ｔｒａｐｐｅｄ １７１Ｙｂ＋ｉｏｎ ｑｕｂｉｔｓ ｕｓｉｎｇ ａ ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍｓ－ｂａｓｅｄ ｂｅａｍ ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ」、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、ｐｐ．１８１１１５、１～４、２０１４ Ｃｒａｉｎ、Ｓ．ｅｔ ａｌ．、ｏｒ Ｋｎｏｅｒｎｓｃｈｉｌｄ、Ｃ．ｅｔ ａｌ．、「ＭＥＭＳ－ｂａｓｅｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｂｅａｍ ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｑｕａｎｔｕｍ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｉｎ ｔｗｏ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ａｔｏｍｉｃ ｓｙｓｔｅｍｓ」、Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、ｐｐ．２７３～２７５、２００８ Ｒｉｃｋｅｒｔ、Ｊ．、「Ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ ａｎｄ ｉｎｄｉｖｉｄｕａｌ ｉｏｎ ａｄｄｒｅｓｓｉｎｇ ｆｏｒ ｑｕａｎｔｕｍ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ」、Ｌｅｏｐｏｌｄ－Ｆｒａｎｚｅｎｓ－Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔａｔ Ｉｎｎｓｂｒｕｃｋ、Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｐｈｙｓｉｃｓ、２０１８
したがって、本発明の目的は、画像表面上に互いに平行なビーム束の第１の物体側セットを撮像するための光学装置を提供することであり、それにより、前記撮像が行われる画像表面内の位置の調整可能性は、必要に応じて、例えば機械的構成要素による調整可能性の形態で、および／またはより多数のビーム束へのより容易なスケーラビリティを可能にする形態でも実施することがより容易になる。
この目的の解決策は、請求項１に記載の光学装置によって達成される。
本発明のコア概念は、ビーム束が入力側で平行に延在するようにビーム束が提供されるとき、およびビーム束が再配置されるとき、後続の光学撮像部とのビーム拡張の前に平行性を維持しながら、かつ再配置されたビーム束間のビーム拡張への移行が、再配置されたビーム束を光ビーム拡張部上に向ける光学素子を介して束ねること（すなわち集光）によって、すなわち相互の重ね合わせによって行われるとき、ビーム束の数および／または再配置とは本質的に無関係な形態で後続の光学撮像部との光ビーム拡張部が実装され得るように、ビーム束の撮像位置および／または数に関してより効果的である、ビームの第１の物体側セットを画像面上に撮像する概念が達成され得ることにある。これは、例えば、光ビーム拡張部を用いて、例えばそれぞれがガラスファイバ端部に由来する、互いに平行な第１の物体側ビーム束セットを画像表面上に撮像するための光学装置であって、互いに平行を維持しながら第１のセットの互いに平行なビーム束を再配置して、第２のセットの互いに平行なビーム束を得るように構成された光再配置部と、光ビーム拡張部が第３のセットのビーム束によって到達されるように、第２のセットの１つまたは複数のビーム束を束ねることにより光ビーム拡張部上に向けるように構成された光学素子であって、光ビーム拡張部は、第４のセットの拡張されたビーム束を得るように第３のセットの各ビーム束を拡張するように構成されている、光学素子と、第４のセットの拡張されたビーム束を画像表面または画像平面上に撮像するように構成された光学撮像部、例えば対物レンズと、を備えた、光学装置につながる。
言い換えれば、実施形態は、複数の入力側光源点と出力側目標点との高精度の光学的関連付けを達成することを可能にし、本質的にそれぞれ１つの平面内に配置され得る目標点および／または端点は、これにおいて、すなわち、横方向、方向において必ずしも静止しておらず、光源点と目標点との間隔比は、距離を明確に増加または減少させる撮像を必要とし得る。
例えば、光線光学的な意味での弱収束または弱発散の束は、コリメータ、例えば収束レンズによって入力側の各チャネルに対して生成され得る。例えば、コリメータは、光源の発散性の高い光を取り込み、発散性が低減されたビームを生成する。したがって、低い発散度を有するビームの互いに平行な束がチャネル内で発生する。
前記ビーム束は、適切な曲げ手段を介して個々に曲げられ（方向転換され）てもよく、それにより、それらは、複数の互いに平行な弱く発散する束として、例えば収束レンズまたは放物面ミラーなどの撮像光学素子に衝突する。
この複数の大きく平行な束、弱く収束した束、または弱く発散した束の場合、束の様々な反射角度は、例えば、撮像光学素子への個々の衝突位置のために生じ、その結果、例えば、焦点面内に位置するディスク内など、光学素子の焦点面内で互いに大きく重なり合う。束は、撮像光学素子のために、光線光学的な意味であっても、それらの非コリメート特性、収束性、または発散性を失わないが、焦点面内で束であるというそれらの特性を保持し、各場合において１つの点で一致しない。
束断面は、例えば望遠鏡として実装される光ビーム拡張部によって拡張されてもよい。入力側では、光ビーム拡張部は、束直径の少なくとも１．５倍に相当するサイズを有するべきであり、これらは互いに重なり合うようになる。出力側では、光ビーム拡張部のサイズは、１つには、撮像光学素子の後の中心束の伝播方向から生じる光軸に応じたその位置合わせによって、および別の１つには、撮像光学素子からのその距離から最小化されてもよく、この距離は、望遠鏡がビーム拡張に使用される場合には、撮像光学素子の焦点距離および望遠鏡内の入力側レンズの焦点距離から生じる。この文脈内では、光源点の相互距離および目標点の相互距離から生じる必要な拡張スケール（それぞれの場合に適合される非等距離および平均値を有する）は、対物レンズの焦点距離および撮像光学素子の焦点距離の比によって、ならびにビーム拡張の拡張率によって設定されてもよく、同時に、出力側、光ビーム拡張部、および入力側、対物レンズに存在する束直径は、入力束の発散を適合させることによってそれぞれの要件に適合されてもよい。
光学装置のさらなる実施形態およびさらなる有利な態様は、それぞれ従属請求項に記載されている。以下で説明される実施形態の特徴の効果および利点は、光学装置全体に関して光学装置の光学素子の個々のグループに等しく適用され、互いに交換および／または組み合わせることができる。
有利には、光学装置は、第１のビーム束セットの各ビーム束用の光源を含み、そこからそれぞれのビーム束が光再配置部に衝突する。
好ましくは、モノモードファイバは、ビーム束の光源として使用される。しかしながら、他の実施形態によって定義されるように、たとえこの場合にはコリメーションのための横方向寸法も明らかに大きくなるとしても、マルチモード光源が使用されてもよい。例えば、モノモードファイバに用いられるコリメータは、屈折率分布型レンズであってもよい。
さらに好ましい実施形態では、ビームの弱収束または発散束を生成するための光学装置は、それぞれのビーム束が光再配置部の方向に通過する第１のビーム束セットの各ビーム束に対してコリメータを含む。コリメーションレンズは、例えば光ファイバから、高度に発散するレーザパワーを捕捉し、発散が低減されたビームを生成し、これにより、適度な伝播距離を可能にする。
有利には、光学装置の光学素子は、第２のセットのビーム束と平行に入射する光を、入力側光学素子の前方または後方の光ビーム拡張部の入力側光学素子の焦点距離の２倍よりも小さい点に向かって、またはほぼ２倍よりも小さい距離で束にするように構成される。この文脈内で、第３のビーム束セットのビーム束は、それらの依然として存在する収束または発散のために、所定の領域内の点、例えば円で互いに重ね合わされる。言い換えれば、所定の領域内の焦点面内で互いに重なり合う束は、それぞれ収束および発散のために、光線光学的な意味でも束であるというそれらの特性を維持し、それぞれ１つの点で一致しない。互いに重なり合うように光学素子を通過した各束は、好ましくは、わずかに発散しており、したがって光ビーム拡張部に衝突する。軸から様々な距離で互いに平行に光学素子に向かって収束するビーム束は、光学素子によって偏向され、光学素子の焦点距離において互いに重なり合う。したがって、元の位置／向き、すなわち様々な横方向位置および等しい角度－ビームの近軸束－は、光学素子によって移送されて、光学素子の焦点面で同じ位置を共有するが、それぞれの角度および方向に関して異なる束セットを形成する。
ビーム束の光源は、１次元または２次元の方法で配置されてもよく、再配置は、１次元または２次元の方法で実施されてもよい。
特に好ましい実施形態では、重ね合わせが行われる光学素子の焦点面の上記距離は、入力側光学素子の焦点距離の０．５倍～１．５倍の範囲である。
さらにより好ましい実施形態では、距離は、
Figure 2022539890000088
として、ｆＴ１＋Δの０．５倍～１．５倍の範囲であり、
式中、ｆＴ１は入力側光学素子の焦点距離であり、ｆＴ２は光ビーム拡張部の出力側光学素子の焦点距離であり、ｆＴ１およびｆＴ２は共に望遠鏡を構成する。
このように光ビーム拡張部の入力側光学素子の前方に束を重畳させることで、出力側光学素子の照明を効果的に重畳させることができ、多数のビーム束であっても出力側光学素子を小型に構成することができる。
有利な実施形態によれば、光学撮像部は、その点における第４のビーム束セットのビーム束の断面の１．５倍以上の直径を有する。この位置では、ガウス束の完全な重ね合わせが可能である。
有利な実施形態による単純で低コストの設計は、光学素子が一段または多段屈折光学部として構成されることを可能にする。
有利な実施形態による特にコンパクトな設計は、光学素子が反射光学部、好ましくは放物面ミラーとして構成されることを可能にする。
好ましい実施形態によれば、光再配置部は、第１のビーム束セットと比較して、ビーム束の横方向の配置に関して、第２のビーム束セットの再配置を設定するように制御されてもよい。結果として、ビームの個々の束は、例えば、ビーム束の特に密な配置を達成するように、またはビームの元の束を互いに規定の距離に配置するように、重ね合わせられ、元の位置から変位され得る。換言すれば、再配置部は、１つおきのビームの出力側の束が到来する第１のビーム束のうちの１つと排他的に関連付けられるように、かつビーム束の横方向の相互配置が第１のビーム束セットと第２のセットとの間で変化するように、互いに平行性を維持しながら到来するビーム束を再配置する。
製造および設定が簡単な実施形態によれば、光学装置の光再配置部は、機械的に調整可能なミラーを備える。
機械的に調整可能なミラーの容易な調整または設定のために、一実施形態による光学装置は、ベアリング、例えばばね接続または可動ベアリングを含み、それを介して機械的に調整可能なミラーは、入射ビーム束と平行になど、直線的に移動可能である。直線運動によって、ビーム束は、それらの相互平行性が維持されながら再配置され得る。結果として、光源
Figure 2022539890000089
から発生し、異なる空間位置に位置するビームの近軸束の本来の剛性位置は、互いに平行に変位することができる。
可能な限り正確なビーム束の再配置または整列を保証するために、光再配置部は、例えばミラーの直線運動のための機械的および／または圧電的および／または磁気的に制御可能な作動素子を備えることができる。そのような作動素子によって、ビーム束の非常に正確な制御を達成することができる。
好都合には、光学装置の光再配置部は、第１のビーム束の各ビーム束が、第２のビーム束のビーム束になるように光再配置部を通過するときに、再配置のいかなる設定にも依存しない、または一旦再配置されるとビーム束のいかなる位置にも依存しない距離をカバーするように、カバーされる距離が維持されるように再配置を達成するように構成される。したがって、カバーされる距離に依存する束のいかなる変化も回避される。したがって、それらは、選択されたまたは設定された再配置にかかわらず、同じ直径および／またはウエスト位置を有する光学素子に衝突する。
有利な実施形態によれば、光再配置部は、光学装置の光路に沿って調整可能なミラーの背後に配置された剛性ミラーを備える。配置は、剛性ミラーおよび調整可能なミラーを用いて、曲げ角度が各場合で９０°になるようにすることができる。このようなミラーを配置することは、ビーム束のすべてが調整可能なミラーを離れると同じ方法で曲げられる場合に特に有利である。
別の有利な実施形態によれば、光再配置部は、第２のビーム束セットがビーム方向、すなわち第１の束セットにも平行になるように、互いにおよびビーム方向との平行性を維持しながら、ビーム方向に平行な第１のビーム束セットを再配置するように構成される。平行度を維持することは、ビーム束の特性および／または配向の本質的に均一な変化の観点から、反射または屈折光学素子への衝突に関して特に好都合である。
一実施形態によれば、光ビーム拡張部は屈折望遠鏡として構成される。
さらに好ましい実施形態によれば、光ビーム拡張部は、反射望遠鏡として構成される。このような反射望遠鏡を用いた光学装置は、光ビーム拡張部内の色収差を回避する。
光学装置の一実施形態では、第１のビーム束セットは、高強度の単色光を含む。単色光は、光学装置の様々な光学素子によって誘導されるビームの個々の束の特性が本質的に同じままであり、したがって同じ方法で制御され得るので、画像平面内の物体の正確な測定および／または位置特定を可能にする。
いくつかの実施形態は、例として図面に示されており、以下に説明される。
一実施形態による光学装置の概略図である。 ガウスビームおよび／またはガウスビーム束の従来のモデルを説明するための概略図である。 一実施形態による、直線的に配置されたモノモードファイバを有する再配置部の図である。 有利な実施形態による、ビーム拡張のための望遠鏡によるビーム束の束重ね合わせおよびビーム拡張を説明するための簡略図である。 束の不利な重畳を伴う望遠鏡によるビーム拡張を説明するための簡略図である。 有利な実施形態による、ビーム束を重ね合わせるための最適条件を説明するための、望遠鏡による束の重ね合わせおよびビーム拡張を説明するための簡略図である。 不都合なことに高度にコリメートされたビーム束による対物レンズの非最適照明を説明するための、望遠鏡による束の重畳およびビーム拡張を説明するための簡略図である。 ビームウエストのサイズに関する表示を含む、図１の実施形態による望遠鏡によるビーム拡張を説明するための簡略図である。 一実施形態による屈折光ビーム拡張部を使用している間の光学装置の光路を説明するための簡略図である。 さらなる実施形態による、反射光ビーム拡張部を使用している間の光学装置の光路を示すための簡略図である。
以下では、図面を参照して実施形態をより詳細に説明するが、同一または類似の機能を有する要素には同一の参照番号が付されている。
図１は、一実施形態による光学装置１００の概略図を示す。これに関連して、光学装置１００は、複数の相互に平行なビーム束を画像表面１９０上に撮像するためのマルチチャネル光学機械アドレス指定部に対応する。光源１１０から開始して、ビームの１つの束である第１のセットＳ１を形成するいくつかのビーム束が、光学装置１００を介して画像表面１９０上に向けられる。第１のセットＳ１の個々のビーム束は、互いに平行になるように整列される。言い換えれば、入力平面内の異なる光源点
Figure 2022539890000090
は、画像表面１９０内の特定の目標点
Figure 2022539890000091
に関連付けられるか、または画像化される。
１つまたは複数のモノモード光源は、第１のビーム束セットＳ１のビーム束の光源１１０として機能し得る。レーザ源からの光は、例えば、スプリッタを介して、１つのモノモードファイバからいくつかのモノモードファイバに伝送され、その端部は、その後、セットＳ１のビームの個々の束の源として機能するか、またはビーム束のセットＳ１を提供するために、ファイバ結合なしまたはファイバ結合ありのいくつかのモノモードレーザを使用する。
第１のビーム束セットＳ１のビーム束は、再配置部１３０、１４０に転送される。これは、例えば、束および／またはチャネルごとに、屈折率分布型レンズなどのコリメータ１２０によって行われてもよい。
第１のビーム束セットＳ１は、単色光を含み得る。モノクロ特性は、量子コンピュータにおけるような光学装置１００の応用の技術分野に起因し得るが、色収差を回避するために他の応用分野においても有利であり得る。
上記の説明の代替として、第１のセットＳ１のビーム束はまた、マルチモード光源、すなわちマルチモードレーザまたはマルチモードファイバから生じてもよい。セットＳ１の各チャネルおよび／または束に対して、適切なコリメータを設けることができる。この場合、ビーム束をコリメートするための寸法は、おそらくモノモードの変形例よりも大きくなり得る。例えば、セットＳ１の各束は、マルチモードファイバ、ＶＣＳＥＬ、またはＶＣＳＥＬアレイのチャネルに由来する。マルチモード生成の場合、セットＳ１の束は、ＶＣＳＥＬのアレイによって生成され、続いて各ＶＣＳＥＬのマイクロレンズアレイおよび／または１つ以上のマイクロレンズによって生成され得る。
再配置部は、互いに平行を維持したまま、互いに平行な第１のビーム束セットＳ１を再配置することにより、互いに平行な第２のビーム束セットＳ２を得る。続いて、再配置部が機械的に調整可能であるか、または異なる再配置に設定され得る実施形態について説明する。
互いに平行な第２のビーム束セットＳ２は、再配置部１３０、１４０を介して、光ビーム拡張部１６１、１６２が第３のビーム束セットＳ３によって到達されるように、光ビーム拡張部１６１、１６２上に１つまたは複数のビーム束の第２のセットＳ２を束ねて導くように構成された光学素子１５０に導かれる。光学素子１５０は、ビーム束の第２のセットＳ２と平行に入射する光を、入力側光学素子Ｔ１の前後の光ビーム拡張部１６１、１６２の入力側光学素子Ｔ１の焦点距離
Figure 2022539890000092
の２倍以下の距離
Figure 2022539890000093
＋Δの地点Ｘの位置に向かって束ねるように構成されている。好ましくは第２のセットのビーム束の各々に固有の発散のために、第３のセットＳ３のビーム束は、拡張領域内の点Ｘにおいて互いに重なり合う。換言すれば、セットＳ２の各ビーム束は、光学素子１５０によって曲げられ、セットＳ３の束のうちの１つの束として点Ｘに向けられ、それにより、セットＳ３の他の束と重ね合わされる。重畳は、拡張された表面積内で行われる。第３のセットＳ３の束が点Ｘに向けられる方向は、セットＳ２のビームの対応する束が光学素子に衝突する横方向の位置に双方向に依存する。
図１の実施形態では、光学素子１５０は、一段屈折光学部として構成されている。さらなる実施形態によれば、光学素子１５０はまた、多段屈折光学部または反射光学部として構成されてもよい。
図１の本実施形態では、ビーム束の第３のセットＳ３の重ね合わせの点Ｘは、入力側光学素子Ｔ１、例えば、光ビーム拡張部１６１、１６２によって形成された望遠鏡の収束レンズの前に位置する。光ビーム拡張部１６１、１６２は、ビーム束の第４のセットＳ４を得るように、ビーム束の第３のセットＳ３の各ビーム束を拡張するように構成されている。図１において、光ビーム拡張部１６１、１６２は、入力側にレンズＴ１を備え、出力側にレンズＴ２を備える望遠鏡から形成される。ビーム束の第４のセットＳ４は、光ビーム拡張部１６１、１６２の下流に配置された光学撮像部１７０を介して画像表面１９０上に撮像される。これに関連して、光学撮像部１７０は、図１の実施形態では、拡張されたビーム束の第４のセットＳ４を画像表面１９０上に集束させるように構成される。
ここでは２つの光学素子またはレンズＴ１、Ｔ２を備える望遠鏡として示されている光ビーム拡張部１６１、１６２によって、ここでは光学撮像部１７０の入力側表面である平面上にビーム束の第３のセットＳ３のうちの望遠鏡の前の点Ｘで本質的に互いに重ね合わされるビーム束を重ね合わせて、ビーム束の第３のセットと比較して拡張された束直径を有し、束間の束伝播方向のばらつきが少ないビーム束の第４のセットＳ４を形成することを管理し、ビーム束の第４のセットＳ４は、光学撮像部１７０によって画像平面１９０上に集束される。
例えばイオンへの集束に適したモノモードガウス束は、ガウスビーム光学の法則に従う。例えば、図１の実施形態などの本発明の実施形態は、画像平面１９０上に集束された束のウエストサイズを生成することを管理し、これは非常に小さく、光学撮像部１７０のサイズまたは直径および波長のみに本質的に依存し得るが、セットＳ１～Ｓ４内のビーム束の数とは本質的に無関係である。これを説明するために、最初に図２を参照する。
図２は、本明細書に列挙された実施形態による、ビーム束の挙動を計算し描写するための近似の目的で使用されるガウスビームまたはビームのガウス束の従来のモデルを示す図である。
したがって、波長のビーム束は、
Figure 2022539890000094
（１）
に従って、対応するウエストｗ０および角度
Figure 2022539890000095
によって特徴付けられ、また、ウエスト
Figure 2022539890000096
からの距離
Figure 2022539890000097
に応じたビーム半径
Figure 2022539890000098
（２）
によって特徴付けられ、式中、ｚ０はレイリー長であって、
Figure 2022539890000099
（３）
であり、これにより、ビーム半径はウエスト値
Figure 2022539890000100
の√２倍に拡大される。
光学素子によって、ガウス形のウエストが互いに変換され、束断面はウエスト
Figure 2022539890000101
から離れるにつれてサイズが増大し、ウエスト
Figure 2022539890000102
に向かって先細になる。
光学経路または光束経路内に配置された光学素子の照射領域は、ビーム束の開口角
Figure 2022539890000103
およびウエスト平面からの距離
Figure 2022539890000104
に関連する。ウエストサイズが小さいほど、束の開口の角度が大きくなり、これは、光学素子およびウエストから所与の距離を有すると、それに応じて光学素子の照明領域が大きくなることを意味する。ビームのガウス束内に９９％より大きい十分なエネルギー包含を確保するために、光路内に配置され、束を制限する効果を潜在的に有する要素は、この点に存在する束半径の少なくとも３倍の直径をさらに有する必要がある。
既知の技術的手法では、点線で示されている、光軸ＯＡに向かって著しく傾斜した軸外束または束は、光学素子のそれぞれのサイズおよび品質に課される要件が増加する傾向、または光学素子のサイズが限られていると、ビーム強度のガウス分布の部分的遮断によって引き起こされる伝送損失が生じる傾向を有する。対応する効果は、例えば、光源点
Figure 2022539890000105
を目標点
Figure 2022539890000106
に関連付けるために必要な光源側配置またはビーム偏向のために生じる。
本発明の一実施形態によれば、例えば、対物レンズとして構成された光学撮像部１７０の直径は実質的に大きくなく、焦点距離は、画像表面１９０内の目標点
Figure 2022539890000107
の空間分解されたアドレス指定を可能にするサイズｗｔａｒｇｅｔのウエストを生成するために必要なもの、およびガウス束の９９％より大きい透過を達成するために必要なものよりも実質的に小さくない。対物レンズ１７０は、焦点距離
Figure 2022539890000108
および直径Ｄｏｂｊを含み、画像表面１９０に対応するその焦点面内のビーム束を、撮像タスクの要件に適合したガウスウエストＷｔａｒｇｅｔに変換する。
例えば対物レンズの光学撮像部１７０の開口部は、この文脈では、
Figure 2022539890000109
（４）
によってサイズが規定される開口数（ＮＡ）と呼ばれる。
（１）および（４）によれば、９９％より大きい透過率の要求を考慮しながら、対物レンズが最小で有さなければならない開口角は、
Figure 2022539890000110
（５）、
によって決定され、目標面からの対物レンズの距離および／または目標面の拡張などの設定の技術的条件は、対物レンズの焦点距離および／または直径を指定する。
したがって、光学機械システムの実施形態では、各チャネルについて、対物レンズに衝突する拡張された束が、技術的条件に従って決定された対物レンズの直径内に留まり、対物レンズをほぼ完全に照明するように、光再配置部による光学機械ビーム曲げおよび光ビーム拡張部によるビーム拡張が構成されてもよい。
上記のようにして、本発明の実施形態は、複数の入力側光源点
Figure 2022539890000111
と、目標平面または画像表面内の出力側目標点
Figure 2022539890000112
との高精度の関連付けを同時に可能にし、目標点
Figure 2022539890000113
は必ずしも静止していない。例えば、漂遊磁場によって影響を受ける負荷依存イオン間距離またはイオン位置は、例えばイオントラップ内で追跡することができる。対物レンズによって光軸ＯＡに関して中心合わせされ、その直径に関して設定され、適切な微小光学機械によって可能にされる光学的全体配置は、開口数に関する仕様が本質的に目標面内の分解能要件のみに依存し、それらの焦点距離に関して、本質的に構造関連の理由による作動距離のみに依存する対物レンズの使用を可能にする。例えば、画像表面１９０がイオントラップ内にある場合、上述の作動距離は、例えば、真空窓の厚さおよび窓からのトラップの距離によって与えられ得る。したがって、より大きなイオン数へのスケーリング動作は、より大きな開口数またはより大きな直径を有する明らかにより高価な対物レンズによって、他の光学機械的アプローチの場合のように制限されない。同様に、装置１００を適用する他の技術例についても同様である。本発明の実施形態で使用することができる限定された対物レンズ開口数は、さらに、より大きな焦点深度に起因して、例えばイオン面などの画像表面１９０に関して対物レンズを長手方向に調整するために必要な費用を制限する。折り畳まれ、対物レンズとは別に純粋に反射性である光学部は、独立した波長でもあるコンパクトな構成を可能にし、したがって、例えば４０Ｃａ＋、１３８Ｂａ＋または他のイオンを含むイオントラップなどの様々な用途の場合に使用することができる。
特定の実施態様では、図１の装置は、簡単にするために画像表面１９０内の線形配置、例えばポールトラップなどのイオントラップ内の４０Ｃａ＋イオンの線形配置のために、光学機械アドレス指定部を実現するために以下のように寸法決めされてもよい。互いに平行に延在する第１の物体側ビーム束セットＳ１の光源１１０として、入力側モノモードファイバの適切な線形配置を使用することができる。光源１１０の距離については、ファイバ径、コリメーションレンズ１２０の直径、および必要なチャネル距離が、機械システムの部分で考慮されるべきである。機械的システムによって決定される５００μｍの基準グリッドを想定する場合、５００μｍ未満の直径を有するコリメーションレンズ１２０が選択されるべきである。光源が異なる、例えば反対側に位置する平面内に配置され得る場合、１ｍｍ未満の直径を有するコリメーションレンズ１２０が可能である。イオントラップ内の４０Ｃａ＋イオンの距離について、例えば約５μｍの平均値を推定することができ、これにより、それらの距離について１００：１の画像化スケールが得られる。４０Ｃａ＋イオンの光学装置１００または光学アドレス指定部の波長は、７２９ｎｍになる。約２．５μｍの供給モノモードファイバ１１０のモードフィールド半径は、近似的に、入力ガウスウエストであると考えることができる。再配置部１３０、１４０は、光路内に配置され、その側がチャネル距離によって設定される上限を有するが、ビーム束径を制限する。したがって、この位置では、束半径を１５０μｍ未満に保つ必要がある。イオントラップの中心における個々のイオン間距離が５μｍ未満である場合、例えば調整可能なミラー１３０の曲げ要素のサイズを５００μｍ未満になるように選択することが有利である。すなわち、好ましくは、曲げ要素１３０、１４０における束直径
Figure 2022539890000114
は、１００μｍよりも小さくなるように選択されなければならない。図１は、コリメーションレンズ１２０の背後で弱く収束する束を有する有利な実施態様を示す。
撮像スケールを実現するために、光ビーム拡張部、光学素子１５０の焦点距離
Figure 2022539890000115
、および対物レンズの焦点距離
Figure 2022539890000116
は、適切な寸法にされるべきである。一般性を失うことなく、光源点
Figure 2022539890000117
の距離と目標点
Figure 2022539890000118
の距離との間の相関については、いずれの場合もｙ方向における線形配置として、光学撮像素子１５０が焦点距離
Figure 2022539890000119
を有し、光ビーム拡張部１６１、１６２が焦点距離ｆＴ、１およびｆＴ、２の２つのレンズＴ１、Ｔ２を有する望遠鏡であると仮定すると、以下の相関が式の形で見出され得る。
Figure 2022539890000120
（６）
光学撮像素子１５０が曲率半径Ｒｃ＿ｍｉｒｒを有する放物面ミラーとして構成されている場合、（６）は適切な相関をもたらす。
Figure 2022539890000121
（７）
（６）および／または（７）について、平行に整列された線源平面としてのファイバの距離は、平行性を維持しながら、適切な再配置部１３０、１４０および／または光学機械システムの部分で、撮像光学素子１５０の光軸ＯＡからの距離に１：１の比で平行移動されると仮定するものとする。
再配置部１３０、１４０が、上述の平行度要件を維持しながら、光軸ＯＡからの距離を表す撮像光学素子上で
Figure 2022539890000122
によって指定された位置への光源位置
Figure 2022539890000123
の変換を可能にする場合、光源点と目標点との自由な関連付けは、
Figure 2022539890000124
（８）
によって、
および／または、撮像光学素子としての放物面ミラーの場合、
Figure 2022539890000125
（９）
によってアドレス指定され得る。
光源位置
Figure 2022539890000126
と位置
Figure 2022539890000127
との関連付けの可能な実装形態は、例として図３に概説されている。関連付けの変動性を示す目的で、様々な可能性が例示的な方法で示されており、適用の場合は、Ｎ個の光源チャネルまたは光源点
Figure 2022539890000128
とＮ個の目標チャネルまたは目標点
Figure 2022539890000129
との全単射関連付けを提供する。
一例として、０．３のＮＡを有する対物レンズを仮定すると、イオン面内の７２９ｎｍの波長に対して１．５μｍ未満のウエストサイズを生成することができる。前記ウエストサイズは、約５μｍの距離に位置するイオン位置の正確なアドレス指定を可能にする。１０ｍｍを超える厚さの真空窓の背後でのイオントラップの動作を可能にする３０ｍｍの焦点距離を想定し続け、１０：１の撮像スケールに典型的な光ビーム拡張部１６１、１６２を使用する場合、光源点
Figure 2022539890000130
の距離と目標点
Figure 2022539890000131
の距離との比に対応する１００：１の撮像スケールは、３００ｍｍの焦点距離を有する光学素子１５０、例えば６００ｍｍの曲率半径を有するミラーを用いて実施される。
例えば、図１などの本出願の実施形態では、光ビーム拡張部１６１、１６２は、放物面ミラーからｆＯＥ＋ｆＴ１＋Δの適切な距離に配置される。したがって、束の重ね合わせの位置または点Ｘは、望遠鏡の第１のレンズＴ１の前の距離ｆＴ、１＋Δにあり、その結果、束は、例えば図１および図４に示されるように、望遠鏡の出力側の中心に置かれる。Δを決定する可能性は以下で推定される。
それに応じて与えられるおよび／または要求される光ビーム拡張部の対物レンズおよび／または出力直径の照射は、本質的にファイバ側光コリメーション部１２０で設定される。従来のマイクロレンズが使用される場合、設定は、所望のわずかな収束または発散が達成されるように、物体距離が公称焦点距離ｆから数％逸脱するように選択されるという事実から生じる。例えば、レーザまたはファイバ出力などの光源とコリメータとの間の距離は、公称焦点距離の０．９倍～１．１倍の範囲である。
本発明の実施形態の意図された適用分野は、既に上述したように、イオントラップ内の複数のイオンの同時アドレス指定が必要な部分的タスクを提示する量子技術である。様々な他の応用分野内にも同等のタスクがあり、それらは通信技術内、センサシステム内、または産業応用におけるビーム誘導の分野内にあり得る。
図３は、ここでは例として直線的に配置されているモノモードファイバに由来するビーム束を備える再配置部１３０、１４０の概要を示している。図３の実施形態では、それぞれのモノモードファイバは、光学的意味で弱収束性および／または弱発散性であるビーム束を生成する個々のコリメータ１２０ａ～１２０ｄを備える。光源点
Figure 2022539890000132
に対応するビーム束の個々の位置ｐｏｓ．１～４は、ビーム束ごとに適切に移動可能および／または調整可能なミラー１３０ａ～１３０ｄおよびビーム束のすべてに設けられた剛性ミラー１４０によって、光学素子１５０上の位置ｐｏｓ１’～４’に関連付けられる。この文脈内で、ビームの個々の束は、相互に変位されるだけでなく、再配置されてもよい。図３では、位置ｐｏｓ１～４からｐｏｓ．１’～４’への個々の変位が矢印で示されている。調整可能ミラー１３０ａ～１３０ｂは、好ましくは直線運動を可能にするように支持される。実施形態に応じて、光再配置部１３０、１４０全体またはその一部は、機械的および／または圧電的および／または磁気的に制御可能な作動素子によって制御されてもよい。光学装置１００の光路に沿って、光再配置部１３０、１４０は、光路において調整可能ミラー１３０の背後に配置され、ビーム束がそれを介して光学素子１５０に向けられる剛性ミラー１４０を備える。
図３の例によって示されるように、光再配置部１３０、１４０は、カバーされる距離が維持されるように、位置の再配置、ここではｐｏｓ１～４からｐｏｓ．１’～４’の再配置を達成するように構成されてもよく、第２のビーム束セットＳ２のビーム束になるか、またはそれに寄与するように光再配置部１３０、１４０を通過するときに、第１のビーム束セットＳ１の各ビーム束が、再配置の任意の設定とは無関係の距離をカバーする。さらに、光再配置部１３０、１４０は、第２のビーム束セットＳ２がビーム方向と平行になるように、またはビーム方向と平行になり続けるように、互いに、かつビーム方向と平行を維持しながら、ビーム方向と平行な第１のビーム束セットＳ１を再配置するように構成されている。
目標点
Figure 2022539890000133
の最適な照明を可能にする光学装置１００の個々の光学部品に関する好ましい設定について、いくつかの連続図を参照して以下に説明する。
図４は、有利な実施形態による、望遠鏡によるビーム束の束重ねおよびそれらのビーム拡張を説明するための簡略図を示す。問題を単純化するために、図示されているのは、個々のビーム束のコリメータ１２０から始まる光路であり、再配置部１３０、１４０は図示されていない。光学素子１５０に向けられたビーム束は、わずかな収束または発散のみを示し、図では点線として示されている光軸ＯＡと平行に延在する。ビームの個々の束は、光学素子１５０によって偏向される。次いで、ビーム束が収束するのは光学素子１５０の焦点距離
Figure 2022539890000134
内であり、すべてのビーム束の共通の中心は、光学素子１５０の焦点内に位置する点Ｘによって画定される。この文脈内で、点Ｘの位置は、光ビーム拡張部１６１、１６２の入力側光学素子または入力側レンズＴ１の前に所定の距離
Figure 2022539890000135
＋Δで配置される。本実施形態では、入力側レンズＴ１からの点Ｘの距離は、光ビーム拡張部１６１、１６２によるビーム束の拡張が、出力側レンズＴ２を実質的に完全に照明するように、ならびにその下流に配置された例えば対物レンズなどの光学撮像部１７０が、例えば拡張された各ビーム束に関して５０％超、具体的には例えば５０％超を照明するように設定される。光学素子１５０によって、ビーム束の元の位置／向き、すなわち、ビームの近軸束の様々な位置および同一の角度は、同じ位置および様々な角度に伝達される。光源１１０、例えばモノモード光源はまた、一次元または二次元に配置されてもよい。
図５は、さらなる実施形態による、望遠鏡によるビーム束の束重ねおよびそれらのビーム拡張を説明するための簡略図を示す。図４とは異なり、図５では、望遠鏡の入力側光学素子または入力側レンズＴ１から距離を置いた点Ｘの位置は、出力側光学素子または出力側光学レンズＴ２または下流対物レンズ１７０においてビーム束が必ずしも互いに重なり合わないように決定される。したがって、図５は、光ビーム拡張部１６１、１６２の光学素子１５０と入力側光学素子１６１との間の距離が適合されていない束の光路を示す。
光軸ＯＡから異なる距離にある光源から平行に発するすべてのビーム束の事実を考慮した、光学装置の有利な設定または寸法設定は、図６によって説明されるように、出力側光学素子１６２または出力側レンズＴ２において、ならびに光ビーム拡張部１６１、１６２の下流に接続された対物レンズ１７０において互いに完全に重なり合う。図４および図５を見ると、光学装置１００を通って延びる光路の違いを明確に識別することができる。
図６によって、一実施形態によるビーム束の最適な重ね合わせのための上述の寸法が示される。この目的のために、事項を簡単にするために、個々のビーム束の重ね合わせの位置に点Ｘを含む図４および図５の部分、ならびに光ビーム拡張部１６１、１６２のみが示されている。要求される条件は、撮像光学素子１５０の後の距離
Figure 2022539890000136
で一致するビーム束の束中心が、望遠鏡の出力側光学素子または出力側レンズＴ２の平面内で再び一致することである。図６では、個々のビームは、撮像光学素子１５０の異なる位置から発生し、光ビーム拡張部１６１、１６２に向かって延びるビームの個々の束のそれぞれの中心を表す。条件は、以下が適用される撮像タスクとして定式化することができる。
点Ｘ、すなわち物体点は、光軸ＯＡ上に位置し、ビーム束の中心、すなわち束中心のすべてが一致する位置である。点Ｘは、レンズＴ１によって像距離
Figure 2022539890000137
＋
Figure 2022539890000138
で、同じく光軸上に位置する像点に結像される。撮像タスクを満たすための定義量は、物体点ＸとＴ１との間の距離である。
この目的のために、
Figure 2022539890000139
（ＥＤ１）：
オブジェクト幅ｓとして、量ｆＴ１＋Δ
画像距離ｓ’として、量ｆＴ１＋ｆＴ２
焦点距離ｆとして、量ｆＴ１、
が撮像方程式に挿入され、その結果、決定されるべき量Δは、
Figure 2022539890000140
（ＥＤ２）
になる。
代替実施形態によれば、Δは、ＥＤ２による値の±５０％の範囲内に位置すれば十分である。
対物レンズ１７０内の束重畳の場合、Ｔ２と対物レンズ１７０との間の有限距離が考慮されるべきとき、例えばさらなる光学素子がそこで光路に導入されるべきとき、Δのわずかな修正が生じる。
図７は、ビーム束が極度にコリメートされた場合に対物レンズ１７０の照明が不十分であることを説明するために、前述の図４～図６と同様にレンズＴ１、Ｔ２を備える望遠鏡の手段である束重畳およびビーム拡張を説明するための簡略図を示す。光ビーム拡張部１６１、１６２および／または光ビーム拡張部１６１、１６２の下流に接続された対物レンズ１７０の出力側光学素子または出力側レンズＴ２の照射は、撮像光学素子１５０に衝突するビームの平行な束が特定の収束または発散を示すように、言い換えれば、それらが理想的にコリメートされないように設定される。これは、図４において、撮像光学素子１５０の左から、ビームのガウス束を示すビームの個々の束の曲線を集めてもよい。
図７から、非常に強くコリメートされたビーム束の場合、ビーム束は、出力側光学素子Ｔ２および／または光ビーム拡張部１６１、１６２の下流に接続された対物レンズ１７０のごく一部のみを照射することを認識することができる。
図８は、図２のガウスビームの説明に関連して、一実施形態による望遠鏡によるビーム拡張を説明するための簡略図を示す。図８は、光源点
Figure 2022539890000141
と目標点
Figure 2022539890000142
との距離が１００倍異なる実施形態を説明する。したがって、図８のウエストサイズから収集され得るように、ビーム束、または束ウエストのサイズも縮小される。サイズを１００：１に縮小するための開始点は、光源１１０のビーム束のウエストではなく、理想的なコリメーションを実行するように設定されていないコリメーションレンズ１２０によって生成されるウエストである。実施形態では、後者は８９マイクロメートルに達し、対物レンズの焦点面内のサイズの１００：１の縮小によって、０．８９マイクロメートルのウエストサイズに変換される。
図９は、一実施形態による屈折光ビーム拡張部１６１、１６２を使用している間の光学装置１００の光路を説明するための簡略図を示す。図１の実施形態とは異なり、図９の実施形態は、反射光学素子１５０を備える。反射撮像光学素子１５０は、例えば放物面ミラーであってもよい。反射撮像光学素子１５０（放物面ミラー）を含む実施形態では、光源１１０またはコリメータ１２０は、シャドーイングが生じないように特定の角度で配置される。
図１０は、反射光ビーム拡張部１６５、１６６を使用している間の光学装置１００の光路を説明するための簡略図を示す。図１および図３から図９の上記で説明した実施形態とは異なり、図１０の実施形態は再配置部１３０、１４０を含まない。ビーム源１１０の個々の平行なビーム束は、コリメータ１２０を介して、撮像光学素子１５５に直接導かれ、そこからビーム束は、２つの放物面ミラーを含む反射望遠鏡の形態の光ビーム拡張部１６５、１６６を介して対物レンズ１７０に送られ、対物レンズを介して画像表面１９０にビームが集束される。
これらの結果をもたらした研究は、欧州連合によって支援されている。
１００ 光学装置
１１０ 光源
１２０ａ～１２０ｂ コリメータ
１３０ａ～１３０ｂ 調整可能なミラー
１４０ 静止剛性ミラー
１５０ 撮像光学素子
１５５ 撮像光学素子（放物面ミラー）
１７０ 光学撮像部、対物レンズ
１９０ 画像表面、または画像平面
１６１、１６２ 光ビーム拡張部（屈折望遠鏡）
１６５、１６６ 光ビーム拡張部（反射望遠鏡）
ＰＯＳ１～ＰＯＳ４ 再配置前のビーム束の位置
ＰＯＳ１’～ＰＯＳ４’ 再配置後のビーム束の位置
Ｔ１ 入力側光学素子（１６１）または入力側レンズ鏡筒
Ｔ２ 出力側光学素子（１６２）または出力側レンズ鏡筒
Figure 2022539890000143
光学素子（１５０）の焦点距離
Figure 2022539890000144
入力側素子光学系Ｔ１の焦点距離
Figure 2022539890000145
出力側光学素子Ｔ２の焦点距離
Ｄ 直径
Δ 偏差
Figure 2022539890000146
角度
Figure 2022539890000147
波長
Figure 2022539890000148
光源点または光源位置
Figure 2022539890000149
画像表面（１９０）上の目標点または目標位置
Figure 2022539890000150
放物面ミラーの半径（焦点距離）
Figure 2022539890000151
撮像光学素子上の位置
Figure 2022539890000152
撮像光学素子上の位置

Claims (24)

  1. 互いに平行な第１の物体側ビーム束セット（Ｓ１）を画像表面上に撮像するための光学装置（１００）であって、
    光ビーム拡張部（１６１、１６２）と、
    互いに平行を維持しながら、互いに平行な前記第１のビーム束セット（Ｓ１）を再配置して、互いに平行な第２のビーム束セット（Ｓ２）を得るように構成された光再配置部（１３０、１４０）と、
    前記光ビーム拡張部（１６１、１６２）が第３のビーム束セット（Ｓ３）に到達するように、１つまたは複数の前記第２のビーム束セット（Ｓ２）を束ねることにより前記光ビーム拡張部（１６１、１６２）上に向けるように構成された光学素子（１５０）であって、前記光ビーム拡張部（１６１、１６２）は、拡張された第４のビーム束セット（Ｓ４）を得るように、前記第３のセット（Ｓ３）の各ビーム束を拡張するように構成されている、光学素子（１５０）と、
    前記画像表面（１９０）上に前記拡張された第４のビーム束セット（Ｓ４）を撮像するように構成された光学撮像部（１７０）と、
    を備える、光学装置（１００）。
  2. 前記第１のビーム束セット（Ｓ１）の各ビーム束のための光源（１１０）であって、そこから前記各ビーム束が前記光再配置部（１３０、１４０）に衝突する、光源（１１０）、
    を備える、請求項１に記載の光学装置。
  3. 前記第１のビーム束セット（Ｓ１）の各ビーム束の前記光源（１１０）が、
    モノモード光源、または
    マルチモード光源、または
    マルチモード光源、
    を含む、請求項２に記載の光学装置（１００）。
  4. ビーム束の前記第１のセット（Ｓ１）の前記各ビーム束が前記光再配置部（１３０、１４０）の方向に通過する、ビーム束の前記第１のセット（Ｓ１）のビーム束ごとのコリメータ（１２０）
    を備える、請求項３に記載の光学装置（１００）。
  5. ビーム束の前記第１のセット（Ｓ１）のビーム束ごとに、コリメータとしてＧＲＩＮレンズを備えるモノモードファイバを備えている、請求項１から４のいずれか一項に記載の光学装置（１００）。
  6. 前記光学素子（１５０）は、前記入力側光学素子（Ｔ１）の前方または後方において、前記光ビーム拡張部（１６１、１６２）の入力側光学素子（Ｔ１）の焦点距離（
    Figure 2022539890000066
    ）の２倍よりも小さい所定の距離でビーム束の前記第２のセット（Ｓ２）を束ね、それにより、ビーム束の前記第３のセット（Ｓ３）の前記ビーム束が互いに重なり合うように構成されている、
    請求項１から５のいずれか一項に記載の光学装置（１００）。
  7. 前記所定の距離は、前記入力側光学素子（Ｔ１）の前記焦点距離（
    Figure 2022539890000067
    ）の０．５倍以上１．５倍以下である、
    請求項６に記載の光学装置（１００）。
  8. 前記所定の距離は、
    Figure 2022539890000068
    として、
    Figure 2022539890000069
    ＋Δの０．５以上１．５倍以下になり、式中、ｆＴ１は前記入力側光学素子（Ｔ１）の前記焦点距離（
    Figure 2022539890000070
    ）であり、ｆＴ２は前記光ビーム拡張部（１６１、１６２）の前記出力側光学素子（Ｔ２）の前記焦点距離（
    Figure 2022539890000071
    ）であり、ｆＴ１およびｆＴ２は共に望遠鏡を構成する、
    請求項６または７に記載の光学装置（１００）。
  9. 前記光学撮像部（１７０）は、ビーム束の前記第４のセット（Ｓ４）のビーム束の断面の１．５倍以上の直径を含む、請求項５から８のいずれか一項に記載の光学装置。
  10. 前記光学素子（１５０）は、一段または多段の屈折光学素子として構成されている、
    請求項１から９のいずれか一項に記載の光学装置（１００）。
  11. 前記光学素子（１５０）は、反射光学部として構成されている、
    請求項１から９のいずれか一項に記載の光学装置（１００）。
  12. 前記光再配置部（１３０、１４０）は、ビーム束の前記第１のセット（Ｓ１）と比較して、ビーム束の前記第２のセット（Ｓ２）の再配置を設定するように制御され得る、請求項１から１１のいずれか一項に記載の光学装置（１００）。
  13. 前記光再配置部（１３０、１４０）が、機械的に調整可能なミラー（１３０）を備えている、請求項１から１２のいずれか一項に記載の光学装置（１００）。
  14. 軸受を備え、前記機械的に調整可能なミラー（１３０）が前記軸受を介して直線的に移動可能である、
    請求項１３に記載の光学装置（１００）。
  15. 前記光再配置部（１３０、１４０）は、機械的および／または圧電的および／または磁気的に駆動可能な作動素子を含む、
    請求項１から１４のいずれか一項に記載の光学装置。
  16. 前記光再配置部（１３０、１４０）は、カバーされた距離が維持され、その結果、ビーム束の前記第２のセット（Ｓ２）のビーム束になるか、またはそれに寄与するように前記光再配置部（１３０、１４０）を通過するとき、ビーム束の前記第１のセット（Ｓ１）の各ビーム束が、前記再配置のいかなる設定からも独立した距離をカバーするように再配置を達成するように構成されている、
    請求項１から１５のいずれか一項に記載の光学装置（１００）。
  17. 前記光再配置部（１３０、１４０）は、前記光学装置（１００）の光路に沿って前記調整可能ミラー（１３０）の背後に配置された剛性ミラー（１４０）を含む、
    請求項１４または１５に記載の光学装置（１００）。
  18. 前記光再配置部（１３０、１４０）は、ビーム束の前記第２のセット（Ｓ２）が前記ビーム方向と平行になるように、互いの、および前記ビーム方向との平行性を維持しつつ、前記ビーム方向と平行なビーム束の前記第１のセット（Ｓ１）を再配置するように構成されている、
    請求項１から１７のいずれか一項に記載の光学装置（１００）。
  19. 前記光ビーム拡張部（１６１、１６２）は、屈折望遠鏡として構成されている、
    請求項１から１８のいずれか一項に記載の光学装置（１００）。
  20. 前記光ビーム拡張部（１６１、１６２）は、反射望遠鏡として構成されている、
    請求項１から１９のいずれか一項に記載の光学装置（１００）。
  21. 前記第１のセットの前記ビーム束（Ｓ１）は単色光を含む、
    請求項１から２０のいずれか一項に記載の光学装置（１００）。
  22. 前記光ビーム拡張部は、ビーム束の前記第４のセット（Ｓ４）の各ビーム束によって前記光学撮像部（１７０）の５０％超を照射する、
    請求項１から２１のいずれか一項に記載の光学装置（１００）。
  23. 前記第１のセットの前記ビーム束（Ｓ１）は、前記光学素子（１５０）によって相殺されない弱い発散で前記光学素子に衝突し、その結果、ビーム束の前記第３のセット（Ｓ３）の前記ビーム束は、弱く発散する、
    請求項１から２２のいずれか一項に記載の光学装置（１００）。
  24. 前記第１のセットの前記ビーム束（Ｓ１）は、前記光学素子（１５０）の前方でウエストと弱収束となるように生成され、または、弱発散となるように生成されている、
    請求項１から２３のいずれか一項に記載の光学装置（１００）。
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