KR20220031686A

KR20220031686A - 다중 채널 광기계적 어드레싱 장치

Info

Publication number: KR20220031686A
Application number: KR1020227004280A
Authority: KR
Inventors: 크리스토프 배흐터; 베른트 횔퍼; 피터 슈라이버
Original assignee: 프라운호퍼 게젤샤프트 쭈르 푀르데룽 데어 안겐반텐 포르슝 에. 베.
Priority date: 2019-07-08
Filing date: 2020-07-06
Publication date: 2022-03-11
Also published as: WO2021004994A1; US20220128827A1; CA3145911A1; CN114375416A; JP2022539890A; JP7418138B2; EP3997509A1; DE102019210041B4; DE102019210041A1

Abstract

본 발명은 이미지 표면에 물체측 상호 평행한 빔 번들의 제 1 세트(S1)를 이미징하기 위한 광학 장치(100)에 관한 것으로, 이 장치는 광빔 확장 유닛(161, 162); 상호 평행한 빔 번들의 제 2 세트(S2)를 획득하기 위해 상호 평행성을 유지하면서 상기 상호 평행한 빔 번들의 제 1 세트(S1)를 재배열하도록 구성된 광학 재배열 유닛(130, 140); 상기 광빔 확장 유닛(161, 162)에 빔 번들의 제 3 세트(S3)가 도달되도록, 번들링에 의해 하나 이상의 빔 번들의 상기 제 2 세트(S2)를 상기 광빔 확장 유닛(161, 162) 상으로 지향하도록 구성된 광학 요소(150) - 상기 광빔 확장 유닛(161, 162)은 확장된 빔 번들의 제 4 세트(S4)를 획득하기 위해 상기 제 3 세트(S3)의 각 빔 번들을 확장하도록 구성됨 - ; 및 상기 확장된 빔 번들의 제 4 세트(S4)를 상기 이미지 표면(190) 상에 이미징하도록 구성된 광학 이미징 유닛(170)을 포함한다.

Description

다중 채널 광기계적 어드레싱 장치

본 발명은 이미지 표면 상에 객체측 상호 평행 빔 번들의 세트를 이미징하기 위한 장치에 관한 것이다.

여러 광 섬유에 의해 제공될 수 있는 다수의 광원으로부터의 빛이 이미지 평면 내의 매우 작은 영역으로 향하게 되는 적용 사례가 있다. 이에 대한 예는 광선이 적절한 이온 트랩 내에 위치한 이온으로 향하는 양자 컴퓨팅이다. 이온간 거리는 몇 마이크로미터에 이른다. 사용되는 빛의 파장은 사용되는 이온의 특성에 따라 달라지며 일반적으로 UV에서 NIR까지이다. 트랩 내의 이온 사이의 거리는 다양한 매개변수에 따라 다르다. 이온간 거리의 현저한 변화는 트랩에 다른 수의 이온이 로드될 때 결과된다. 예를 들어 트랩 내의 간섭 필드로 인해 사소한 변화가 발생한다. 따라서 초점 위치를 매우 정밀하게 추적하면서 가변적으로 조정 가능한 방식으로 이온 트랩 평면 내의 영역으로 빔을 향하게 하는 것이 가능해야 한다.

그러나, 예를 들어 광 데이터 통신과 같은 다른 기술 분야에서도 유사한 문제가 발생한다.

다른 이온 어드레싱의 간단한 변형은 단일 광원을 사용하고 다음에서 설명하는 개별 이온의 순차적 어드레싱으로 구성된다: Crain, S. 외, "마이크로 전자기계 시스템 기반 빔 조향 시스템을 사용하여 갇힌 171Yb+ 이온 큐비트의 개별 어드레싱", Applied Physics Letters, pp. 181115, 1-4, 2014. 그러나 이온 수가 증가함에 따라, 다양한 이온 위치에서 큐빗 작업을 빠르게 수행하기 위해 순차 작업에 병목 현상이 발생한다. 또한, 더 많은 이온수를 포함한다는 관점에서 이 방식을 확장하면 Crain, S. 외 또는 Knoernschild, C. 외, "2차원 원자 시스템에서 양자 정보 처리를 위한 MEMS 기반 광빔 조종 시스템", Optics Letters, pp. 273-275, 2008에서 설명된 바와 같이, 중간 이미지 평면의 크기가 증가하고, 따라서 후속 광학 이미징 장치에 대한 요구가 증가하는 결과가 초래된다.

MEMS 미러 어레이를 사용하면, 다중 채널 입력의 위치를 수신기 평면 내의 대상 위치와 연결할 수 있다. 광섬유 스위치 설정에서, 시준 및 동일한 초점 렌즈는 일반적으로 1:1 이미지 형성을 실현하기 위해 입력 및 출력 측 채널에 사용된다. 이러한 맥락에서, 미러 어레이는 입력과 출력의 연결에 대해, 번들은 출력 측에서 중앙에 수직으로 해당 채널 위치에 수직으로 충돌하는 결과를 가져온다. 이를 위해서는 출력 채널의 고정 배열에 따라 출력측 미러의 미리 정의된 고정 위치 지정이 필요하다. 결과적으로 출력 채널의 가변 위치는 이러한 설정으로 달성하기 어렵다.

섬유 어레이 내의 고정된 입력측 광원 위치를 기반으로, MEMS 미러 어레이는 중간 이미징을 사용하지 않고 이온 위치를 지정하기 위해 하위 광학 요소와 관련하여 사용될 수 있다: 참조. Rickert, J., "양자 정보 처리를 위한 동시 및 개별 이온 어드레싱" Leopold-Franzens-Universitat Innsbruck, 실험 물리학 연구소, 2018. 이러한 맥락에서, 섬유에서 시작하는 시준된 번들이 확장된다. 후속 대물 렌즈는 초점 평면 내의 번들을 이미징 작업의 요구 사항에 맞게 조정된 가우시안 허리로 변환한다. 초점면 내에서 원하는 위치 이동을 구현하는 광축을 향한 기울기 뿐만 아니라 광축 바깥쪽에 위치한 광원 위치는, 광학 장치가 넓게 열리지 않는 경우 전송 손실의 결과로 이어진다. 결과적으로, 광학 단위 직경 자체가 채널 수에 따라 조정되어야 하는 접근 방식은 적합하지 않은데, 광학 장치의 크기가 제한되는 경우 처음부터 채널 수가 제한 유지되기 때문이다.

따라서, 본 발명의 목적은 객체측 상호 평행한 빔 번들의 제 1 세트를 이미지 표면 상에 이미징하기 위한 광학 장치를 제공하여, 원한다면, 예를 들어 기계적 구성요소에 의한 조정 가능성의 형태로 및/또는 더 많은 수의 빔 번들에 대한 보다 쉬운 확장성의 형태로 상기 이미징이 발생하는 이미지 표면 내 위치의 조정 가능성을 구현하기 더 쉬어지도록 하는 것이다.

본 발명의 과제는 청구항 1에서 청구되고 있는 광학 장치를 이용하여 성취된다.

본 발명의 핵심 아이디어는 이미징 위치 및/또는 빔 번들 수와 관련하여 더 효과적인 이미지 표면에 객체측 빔 번들의 제 1 세트를 이미징하는 개념은 후속 광학 이미징 장치로 빔 확장 전에 평행도를 유지하면서 빔 번들이 입력 측에서 평행하게 연장되도록 제공될 때와 빔 번들이 재배열될 때와, 재배열된 빔 번들 사이에서 빔 확장으로의 전환이 재배열된 빔 번들을 번들링(또는 집중)에 의해, 즉 상호 중첩 수단에 의해 광빔 확장 유닛으로 안내하는 광학 요소를 통해 수행될 때 달성되므로, 후속 광학 이미징 유닛을 갖는 광빔 확장 유닛은 빔 번들의 수 및/또는 재배열과 본질적으로 독립적인 형태로 구현될 수 있다. 이것은, 예를 들어 각각 유리 섬유 단부로부터 유래하는 객체측 상호 평행한 번들의 제 1 세트를, 예를 들어 광빔 확장 유닛을 사용하여 이미지 표면 상에 이미징하기 위한 광학 장치; 상호 평행한 빔 번들의 제 2 세트를 획득하기 위해 상호 평행성을 유지하면서 상호 평행한 빔 번들의 제1 세트를 재배열하도록 구성된 광학 재배열 유닛; 번들링에 의해 하나 이상의 빔 번들의 제2 세트를 광빔 확장 유닛 상으로 지향시키도록 구성되어, 빔 번들의 제 3 세트에 의해 광빔 확장 유닛에 도달하도록 하는, 광학 요소 - 광빔 확장 유닛은 확장된 빔 번들의 제4 세트를 획득하기 위해 제3 세트의 각 빔 번들을 확장하도록 구성됨 - ; 및 확장된 빔 번들의 제4 세트를 이미지 표면 또는 이미지 평면에 이미지화하도록 구성된, 광학 이미징 장치, 예를 들어 대물렌즈를 포함한다.

다시 말해서, 실시예는 다수의 입력측 광원 지점과 출력측 타겟 지점의 고정밀 광학적 연관을 달성할 수 있게 하고, 여기서 각각 본질적으로 하나의 평면 내에 배열될 수 있는 타겟 및/또는 끝점은 여기에, 즉 횡 방향으로 고정될 필요가 없으며, 광원과 타겟 지점의 간격 비율은 거리를 명확하게 늘리거나 줄이는 이미징을 필요로 할 수 있다.

예를 들어 광선 광학적 의미에서 약하게 수렴하거나 약하게 발산하는 번들은 예를 들어 수렴 렌즈와 같은 시준기를 통해 입력 측의 각 채널에 대해 생성될 수 있다. 예를 들어, 시준기는 광원의 발산이 높은 빛을 포착하여 발산이 감소된 빔을 생성한다. 따라서, 낮은 발산을 갖는 상호 평행한 빔 번들이 채널 내에서 발생한다.

상기 빔 번들은 적절한 굽힘 수단을 통해 개별적으로 굽힘(재지향)되므로, 서로 평행한 복수의 약하게 발산하는 번들로서, 예를 들어 수렴 렌즈 또는 포물면 미러와 같은 이미징 광학 요소에 충돌하도록 한다.

다수의 대체로 평행하거나, 약하게 수렴하거나 약하게 발산하는 번들에 대해, 번들의 다양한 반사 각도는 예를 들어 이미징 광학 요소에 대한 개별 충돌 위치로 인해 발생하므로, 예를 들어, 초점 평면 내에 위치한 디스크에서와 같이 광학 요소의 초점 평면 내에서 서로 크게 중첩되고; 번들은 이미징 광학 요소로 인해 광선 광학적 의미에서도 시준되지 않은 속성 또는 수렴 또는 발산을 잃지 않지만, 초점면 내에서 번들이라는 특성을 유지하고 각 경우에 한 지점에서 일치하지 않는다.

번들 단면은 예를 들어 망원경으로 구현되는 광빔 확장 유닛에 의해 확장될 수 있다. 입력 측에서 광빔 확장 유닛은 번들 직경의 최소 1.5배에 해당하는 크기를 가져야 하며, 이 크기는 하나가 다른 하나의 위에 놓이게 한다. 출력측에서는, 광빔 확장 유닛의 크기는 하나의 경우, 광축에 따른 정렬에 의해 최소화되며, 이는 이미징 광학 요소 이후의 중심 번들의 전파 방향으로 결과되며, 또 다른 하나는, 이미징 광학 요소로부터의 거리로부터, 이 거리는 빔 확장에 사용되는 망원경의 경우, 이미징 광학 요소의 초점 거리와 망원경 내의 입력측 렌즈의 초점 거리로부터 결과된다. 이러한 맥락에서, 광원 지점의 상호 거리와 타겟 지점의 상호 거리에서 발생하는 필요한 확대 스케일은, 각 경우에 적용되는 비등가의 거리 평균 값을 가지고, 대물렌즈의 초점 거리와 이미징 광학 요소의 초점 거리의 비율과 빔 확장의 확대 계수를 통해 설정될 수 있으며, 동시에, 출력 측, 광 빔 확장 장치 및 입력 측, 대물렌즈에 존재하는 번들 직경은 입력 번들의 발산을 조정하여 각 요구 사항에 맞게 조정될 수 있다.

광학 장치의 추가적인 실시예 및 추가적인 유리한 측면은 각각 종속항에 언급되어 있다. 아래에서 논의될 실시예의 특징의 효과 및 이점은 광학 장치 전체와 마찬가지로 광학 장치의 개별 광학 요소 그룹에 동일하게 적용되며 서로 교환 및/또는 결합될 수 있다.

바람직하게, 광학 장치는 빔 번들의 제1 세트의 각 빔 번들에 대해 각 빔 번들이 광학 재배열 유닛에 충돌하도록 하는 광원을 포함한다.

바람직하게, 모노모드 광섬유는 빔 번들의 광원으로 사용된다. 그러나, 다른 실시예에 의해 정의된 바와 같이, 멀티모드 광원이 사용될 수 있지만, 이 경우 시준을 위한 측면 치수도 분명히 커진다. 예를 들어, 모노모드 광섬유에 사용되는 시준기는 구배 굴절률 렌즈일 수 있다.

더욱 더 바람직한 구현예에서, 빔의 약하게 수렴하거나 발산하는 번들을 생성하기 위한 광학 장치는 각 빔 번들이 광학 재배열 유닛의 방향으로 통과하는 빔 번들의 제 1 세트의 각 빔 번들에 대한 시준기를 포함한다. 시준 렌즈는 예를 들어 광섬유에서 고도로 발산하는 레이저 출력을 포착하고 발산이 감소된 빔을 생성하여 결과적으로 적당한 전파 거리를 가능하게 한다.

바람직하게, 광학 장치의 광학 요소는 입력측 광학 요소의 앞 또는 뒤에 있는 광빔 확장 유닛의 입력측 광학 요소의 초점 거리의 2배보다 작은 거리에 있는 지점을 향해 빔 번들의 제2 세트와 평행하게 충돌하는 광을 번들링하도록 구성된다. 이러한 맥락에서, 빔 번들의 제 3 세트의 빔 번들은 미리 결정된 영역 내의 지점, 예를 들어 원에서, 여전히 존재하는 수렴 또는 발산으로 인해, 서로 중첩한다. 다시 말해서, 미리 결정된 영역의 초점 평면 내에서 서로 중첩되는 번들은 수렴과 발산으로 인해 광선 광학적 의미에서도 번들이라는 특성을 유지하며, 각각 한 지점에서 일치하지 않을 것이다. 다른 것과 중첩되도록 광학 요소를 통과한 각각의 번들은 바람직하게는 약하게 발산하고 따라서 광 빔 확장 유닛에 충돌할 것이다. 축으로부터 다양한 거리에서 광학 요소를 향해 수렴하고 서로 평행한 빔 번들은 광학 요소에 의해 편향되고, 광학 요소의 초점 거리에서 서로 중첩한다. 원래 위치/방향, 즉 다양한 가로 위치 및 동일한 각도 - 근축 빔 번들 - 는 광학 요소에 의해 전송되어, 광학 요소의 초점면에서 동일한 위치를 공유하지만 각각의 각도와 방향에 있어 상이한 번들 세트를 형성한다.

빔 번들의 광원은 1차원 또는 2차원 방식으로 배열될 수 있고, 재배열은 1차원 또는 2차원 방식으로 구현될 수 있다.

특히 바람직한 구현예에서, 중첩이 일어나는 광학 요소의 초점 평면의 위에서 언급한 거리는 입력측 광학 요소의 초점 거리의 0.5와 1.5배 사이의 범위이다.

훨씬 더 바람직한 실시예에서, 거리는 f_T1 + △의 0.5배와 1.5배 사이이며,

이고,

여기서, f_T1은 상기 입력측 광학 요소의 상기 초점 거리이고, f_T2는 함께 망원경을 형성하는, 상기 광빔 확장 유닛의 상기 출력측 광학 요소의 상기 초점 거리이다.

광빔 확장 유닛의 입력측 광학 요소 앞의 번들의 위에서 언급한 중첩은, 출력측 광학 요소의 조명의 효과적인 중첩을 초래하며, 이와 연관하여 빔 번들의 수가 많은 경우에도 후자를 작은 크기로 구성할 수 있는 가능성이 있다.

바람직한 실시예에 따르면, 광학 이미징 유닛은 이 지점에서 빔 번들의 제 4 세트의 빔 번들의 단면의 1.5배 이상의 직경을 갖는다. 이 위치에서 가우시안 번들의 완벽한 중첩이 가능하다.

바람직한 실시예에 따른 간단하고 저렴한 설계는 광학 요소가 일단 또는 다단 굴절 광학 유닛으로서 구성되도록 제공한다.

바람직한 실시예에 따른 특히 컴팩트한 디자인은 광학 요소가 반사 광학 유닛으로, 바람직하게는 포물선 미러로 구성되도록 제공한다.

바람직한 실시예에 따르면, 광학 재배열 유닛은 빔 번들의 제 1 세트와 비교하여, 빔 번들의 측면 배열에 대해 빔 번들의 제2 세트의 재배열을 설정하도록 제어될 수 있다. 그 결과, 개별 빔 번들은 중첩되고 원래 위치로부터 변위될 수 있어, 예를 들어 빔 번들의 특히 조밀한 배열을 달성하거나 서로 미리 정의된 거리 떨어지게하여 원래의 빔 번들을 배열할 수 있다. 즉, 재배열 유닛은 상호 평행도를 유지하면서 들어오는 빔 번들을 재배열하므로, 빔의 다른 모든 출력 측 번들은 들어오는 제 1 빔 번들 중 하나와 전단사적으로 연관되고, 빔 번들의 횡방향 상호 배열은 빔 번들의 제 1 세트와 제 2 세트 사이에서 변경된다.

제조 및 설정이 간단한 실시예에 따르면, 광학 장치의 광학 재배열 유닛은 기계적으로 조정 가능한 미러를 포함한다.

기계적으로 조정 가능한 미러의 쉬운 조정 또는 설정을 위해, 일 실시예에 따른 광학 장치는 베어링, 예를 들어, 스프링 연결 또는 이동식 베어링을 포함하고, 이를 통해 들어오는 빔 번들과 평행하게 기계적으로 조정 가능한 미러가 선형으로 움직일 수 있다. 선형 이동을 통해 빔 번들은 상호 평행도가 유지되는 동안 재배열될 수 있다. 결과적으로, 광원

에서 시작되고 다른 공간 위치에 있는 빔의 근축 번들의 원래 고정 위치가 서로 평행하게 변위될 수 있다.

가능한 한 빔 번들의 정확한 재배열 또는 정렬을 보장하기 위해, 광학 재배열 유닛은 예를 들어 미러의 선형 운동을 위해, 기계적 및/또는 압전 및/또는 자기적으로 제어 가능한 작동 요소를 포함할 수 있다. 이러한 작동 요소에 의해 빔 번들을 매우 정밀하게 제어할 수 있다.

편리하게는, 광학 장치의 광학 재배열 유닛은 커버되는 거리가 유지되도록 재배열을 달성하도록 구성되어, 빔 번들의 제 1 세트의 각 빔 번들은, 빔 번들의 제 2 세트의 빔 번들이 되도록 광학 재배열 유닛을 통과할 때, 재배열 설정과 무관하거나 일단 재배열된 빔 번들의 위치와 무관한 거리를 포함한다. 따라서 포함된 거리에 따라 달라지는 번들의 변경이 방지된다. 따라서, 선택되거나 설정된 재배열에 관계없이 동일한 직경 및/또는 허리 위치를 가진 광학 요소에 영향을 미친다.

유리한 실시예에 따르면, 광학 재배열 유닛은 조정 가능한 미러 뒤에 광학 장치의 광학 경로를 따라 배열된 강성 미러를 포함한다. 배열은 강성 미러 및 조정 가능한 미러의 경우 각각의 경우에 굽힘 각도가 90°가 되도록 할 수 있다. 이러한 미러를 배열하는 것은 모든 빔 번들이 조정 가능한 미러를 떠나면 동일한 방식으로 구부러질 때 특히 바람직하다.

다른 유리한 실시예에 따르면, 광학 재배열 유닛은 빔의 두 번째 세트의 번들도 빔 방향, 즉 첫 번째 세트의 번들과 평행하도록 하는 방식으로 빔 방향과 서로 평행도를 유지하면서 빔 방향에 평행한 제1 세트의 빔 번들을 재배열하도록 구성된다. 평행도를 유지하는 것은 빔 번들의 속성 및/또는 방향에서 본질적으로 균일한 변화의 관점에서 반사 또는 굴절 광학 요소에 대한 충돌과 관련하여 특히 편리하다.

일 실시예에 따르면, 광빔 확장 유닛은 굴절 망원경으로 구성된다.

다른 바람직한 실시예에 따르면, 광빔 확장 유닛은 반사 망원경으로 구성된다. 이러한 반사 망원경을 사용하는 광학 장치는 광속 확장 유닛 내에서 색수차를 방지한다.

광학 장치의 일 실시예에서, 제1 세트의 빔 번들은 고강도의 단색광을 포함한다. 단색광으로 이미지 평면 내에서 물체의 정확한 측정 및/또는 위치 파악이 가능한데, 광학 장치의 다양한 광학 요소에 의해 지향되는 빔의 개별 번들의 특성은 본질적으로 동일하게 유지되고 따라서 동일한 방식으로 제어될 수 있기 때문이다.

일부 실시 예는 예시의 방식으로 도면에 도시되어 있으며 아래에서 설명될 것이다:
도 1은 일 실시 예에 따른 광학 장치의 개략도를 도시한다;
도 2는 가우시안 및/또는 가우시안 빔 번들의 기존 모델을 설명하기 위한 개략도를 도시한다;
도 3은 일 실시 예에 따른, 선형으로 배열된 모노모드 섬유를 갖는 재배열 유닛의 다이어그램을 도시한다;
도 4는 바람직한 실시 예에 따른, 빔 확장용 천체 망원경에 의한 빔 번들의 번들 중첩 및 빔 확장을 설명하기 위한 단순화된 다이어그램을 도시한다;
도 5는 바람직하지 않은 번들의 중첩을 갖는 천체 망원경에 의한 빔 확장을 설명하기 위한 단순화된 다이어그램을 도시한다;
도 6은 바람직한 실시 예에 따른, 빔 번들의 중첩을 위한 최적 조건을 설명하기 위해 천체 망원경에 의한 번들의 중첩 및 빔 확장을 설명하기 위한 단순화된 다이어그램을 도시한다:
도 7은 바람직하지 않게 시준된 빔 번들로 대물렌즈의 최적이 아닌 조명을 설명하기 위한 천체 망원경에 의한 번들의 중첩 및 빔 확장을 설명하기 위한 단순화된 다이어그램을 도시한다;
도 8은 빔 허리의 크기에 대한 표시를 포함하는, 도 1의 실시 예에 따른 천체 망원경에 의한 빔 확장을 설명하기 위한 단순화된 다이어그램을 도시한다;
도 9는 일 실시 예에 따른, 굴절 광빔 확장 유닛을 사용하는 동안 광학 장치의 광 경로를 예시하기 위한 단순화된 다이어그램을 도시한다;
도 10은 다른 실시 예에 따른, 반사형 광빔 확장 유닛을 사용하는 동안 광학 장치의 광 경로를 예시하기 위한 단순화된 다이어그램을 도시한다.

이하, 실시 예가 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명될 것이며, 동일하거나 유사한 기능을 갖는 요소는 동일한 참조 번호로 제공된다.

도 1은 일 실시 예에 따른 광학 장치(100)의 개략도를 도시한다. 이와 관련하여, 광학 장치(100)는 다수의 상호 평행한 빔 번들을 이미지 표면(190) 상에 이미징하기 위한 다채널 광기계적 어드레싱 장치에 대응한다. 광원(110)로부터 시작하여, 빔 번들의 제 1 세트(S1)를 형성하는 여러 빔 번들이 광학 장치(100)를 통해 이미지 표면(190) 상에 보내진다. 개별의 빔 번들의 제 1 세트(S1)는 서로 평행하도록 정렬된다. 즉, 입력 평면 내에서 서로 다른 광원 지점

는 이미지 표면(190) 내의 특정 타겟 지점

과 연관되거나 여기에 이미징된다.

하나 이상의 모노모드 광원은 빔 번들의 제 1 세트(S1)의 빔의 번들에 대한 광원(110)의 역할을 할 수 있다. 레이저 광원의 빛은 예를 들어 스플리터를 통해 하나의 모노모드 섬유에서 그 단부가 개별 빔 번들의 세트(S1)의 광원 역할을 하는 여러 모노모드 섬유로 전송되거나, 빔 번들의 세트(S1)를 제공하기 위해, 섬유 결합이 있거나 없는 경우 여러 모노 모드 레이저를 사용한다.

빔 번들의 제 1 세트(S1)의 빔 번들은 재배열 유닛(130, 140)으로 보내진다. 이것은 예를 들어 각각의 번들 및/또는 채널에 대해 구배 굴절률 렌즈와 같은 시준기(120)에 의해 수행될 수 있다.

빔 번들의 제 1 세트(S1)는 단색광을 포함할 수 있다. 흑백 특성은 양자 컴퓨터와 같은 광학 소자(100)의 응용 기술 분야에 의한 것이지만, 색수차를 피하는 다른 응용 분야에서도 바람직할 수 있다.

상기 설명에 대한 대안으로서, 빔 번들의 제 1 세트(S1)는 또한 멀티모드 광원, 즉 멀티모드 레이저 또는 멀티모드 섬유로부터 발생할 수 있다. 세트(S2)의 각 채널 및/또는 번들에 대해 적절한 시준기가 제공될 수 있다; 이 경우 빔 번들을 시준하기 위한 치수는 모노모드 밸리언트(valiant)에서 보다 클 가능성이 있다. 예를 들어, 세트(S1)의 각 번들은 멀티모드 광섬유, VCSEL 또는 VCSEL 어레이의 채널에서 유래한다. 멀티모드 생산의 경우, 세트(S1)의 번들은 VCSEL 어레이에 의해, 이어서 각 VCSEL에 대한 마이크로렌즈 어레이 및/또는 하나 이상의 마이크로렌즈에 의해 생성될 수 있다.

재배열 유닛은 상호 평행도를 유지하면서 서로 평행한 빔 번들의 제 1 세트(S1)를 재배열하므로, 서로 평행한 빔 번들의 제 2 세트(S2)가 얻어진다. 이어서, 재배열 유닛이 기계적으로 조정가능하거나 상이한 재배열로 설정될 수 있는 실시 예가 설명될 것이다.

서로 평행한 빔 번들의 제 2 세트(S2)는 재배열 유닛(130, 140)을 통해 하나 이상의 빔 번들의 제 2 세트(S2)를 번들링을 통해 광빔 확장 유닛(161, 162) 상으로 보내도록 구성된 광학 요소(150)로 지향되므로, 광 빔 확장 유닛(161, 162)에는 빔 번들의 제 3 세트(S3)가 도달하게 된다. 광학 요소(150)는 입력측 광학 소자 T1의 앞 또는 뒤에 광빔 확장 유닛(161, 162)의 입력측 광학 요소 T1의 초점 거리 f_T,1의 2배보다 작은 거리

에서 빔 번들의 제 2 세트(S2)와 평행하게 충돌하는 광을, 지점 X의 위치를 향해 모으도록 구성된다. 바람직하게는 제 2 세트의 빔 번들 각각에 고유한 발산으로 인해, 빔 번들의 제 3 세트(S3)는 확장된 영역 내의 점 X에서 서로 중첩된다. 즉, 세트(S3)의 다른 번들과 중첩하기 위해서, 세트(S2)의 각 빔 번들은 광학 요소(150)에 의해 구부러지고 세트(S3)의 번들 중 하나로 점 X를 향하게 된다. 중첩은 확장된 표면 영역 내에서 발생한다. 제 3 세트(S3)의 번들이 전단사적으로 점 X를 향하게 되는 방향은 세트(S2)의 대응하는 빔 번들이 광학 요소에 충돌하는 측면 위치에 따라 달라진다.

도 1의 실시 예에서, 광학 요소(150)는 일단 굴절 광학 유닛으로 구성된다. 추가 실시 예에 따르면, 광학 요소(150)는 또한 다단 굴절 광학 유닛으로서 또는 반사 광학 유닛으로서 구성될 수 있다.

도 1의 본 실시 예에서, 빔 번들의 제 3 세트(S3)의 중첩의 지점 X은 입력측 광학 요소(T1), 예를 들어 광빔 확장 유닛(161, 162)에 의해 형성된 망원경의 수렴 렌즈 앞에 위치한다. 광빔 확장 유닛(161, 162)은 확장된 빔 번들의 제 4 세트(S4)를 획득하기 위해서 빔 번들의 제 3 세트(S3)의 각 빔 번들을 확장하도록 구성된다. 도 1에서, 광빔 확장 유닛(161, 162)은 입력측의 렌즈(T1) 및 출력측의 렌즈(T2)를 포함하는 망원경으로 형성된다. 빔 번들의 제 4 세트(S4)는 광빔 확장 유닛(161, 162)의 하류측에 배열된 광학 이미징 유닛(170)을 통해 이미지 표면(190) 상에 이미징된다. 이와 관련하여, 광학 이미징 유닛(170)은 도 1의 실시 예에서, 확장된 빔 번들의 제 4 세트(S4)를 이미지 표면(190) 상에 포커싱하도록 구성된다.

본 명세서에서 두 개의 광학 요소 또는 렌즈(T1, T2)를 포함하는 천체 망원경으로 설명되는, 광빔 확장 유닛(161, 162)에 의해, 광학 이미징 유닛(170)의 입력측 표면인 평면에 빔 번들의 제 3 세트(S3)의 빔 번들을 중첩하도록 하여 - 망원경 앞의 X 지점에서 본질적으로 서로 중첩되도록 만들어짐 - 빔 번들의 제 3 세트에 비해 확장된 번들 직경을 갖고 번들 중에서 번들 전파 방향의 분산이 적은 빔 번들의 제 4 세트(S4)을 형성하며, 이 때 빔 번들의 제 4 세트(S4)는 광학 이미징 유닛(170)에 의해 이미지 평면(190)에 집광된다.

예를 들어, 이온에 집광되는 데 적합한 모노모드 가우시안 번들은 가우시안 빔 광학 법칙의 적용을 받는다. 예를 들어, 도 1과 같은 본 발명의 실시 예는, 매우 작을 수 있고 본질적으로 광학 이미징 유닛(170)의 크기 또는 직경 및 파장에만 의존하지만 세트(S1 내지 S4)의 빔 번들의 수와는 본질적으로 무관한, (이미지 표면(190)에 집광된 번들의) 허리 크기를 만들도록 관리한다. 이를 설명하기 위해서, 도 2를 참조해야 한다.

도 2는 가우시안 빔 또는 빔의 가우시안 번들의 기존 모델을 도시하고, 이것은 본 명세서에서 나열된 실시 예에 따라 빔 번들의 거동을 계산하고 묘사하기 위한 근사의 목적으로 사용된다. 따라서, 파장의 빔 번들은

에 따른 대응하는 허리 w₀ 및 각도 θ₀에 의해 및

다음 웨이스트 W로부터의 거리 z에 따른 빔 반경에 의해 특징된다:

여기서 z₀은 레일리(Rayleigh) 길이이다.

이를 통해 빔 반경은 허리 값 W의 √2배로 확대된다.

광학 요소를 통해, 가우시안 허리는 서로 변형되어, 번들 단면이 허리 W에서 멀어질수록 크기가 증가하고 허리 W로 갈수록 가늘어진다.

광학 또는 번들 경로 내에 위치한 광학 요소의 조명된 영역은 빔 번들의 조리개 각도 θ₀ 및 허리 평면으로부터의 거리 z와 관련된다. 허리 사이즈가 작은 경우, 번들의 조리개 각도는 더 커지고, 이는 광학 요소와 허리로부터 거리가 주어지면, 이에 따라 광학 요소의 조명 영역이 더 커짐을 의미한다. 가우시안 빔 번들 내에서 >99%의 충분한 에너지 포함을 보장하기 위해, 광학 경로에 위치하고 잠재적으로 번들을 제한하는 효과가 있는 요소는 추가로 이 지점에 존재하는 번들 반경의 적어도 3배의 직경을 가져야 한다.

알려진 기술적 접근 방식에서, 배축 번들 또는 점선으로 표시된 광축 OA 쪽으로 현저하게 기울어진 번들은 광학 요소의 각 크기와 품질에 대한 요구 사항이 증가하거나, 광학 요소의 크기가 제한되어 있으면 빔 강도의 가우시안 분포가 부분적으로 차단되어 발생하는 전송 손실이 발생하는 경향이 있다. 상응하는 효과는, 예를 들어 광원 측 배열 또는 광원 지점

을 타겟 지점 Y

과 연관시키는 데 필요한 빔 편향으로 인해 발생한다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 예를 들어 대물렌즈로 구성되는 광학 촬상 유닛(170)의 직경이 실질적으로 크지 않고, 초점 거리는 (이미지 표면(190)에서 타겟 지점

의 공간적으로 해결된 어드레싱을 가능하게 하는) w_target 크기의 허리를 생성하는 데 필요한 것보다 또한 가우시안 번들에 대해 >99%의 투과율을 달성하는 데 필요한 것보다 실질적으로 작지 않다. 대물렌즈(170)는 초점 거리 f_obj 및 직경 D_obj을 포함하고 이미지 표면(190)에 해당하는 초점 평면 내의 빔 번들을 이미징 작업의 요구 사항에 맞게 조정된 가우시안 허리 W_target으로 변환한다.

광학 이미징 유닛(170), 예를 들어 대물렌즈의 조리개는 이러한 맥락에서 개구수(NA)라고 하며, 크기는 다음을 통해 정의된다.

수학식 1 및 4에 따르면, >99%의 전송 요구를 고려하면서, 대물렌즈가 최소한으로 가져야 하는 조리개 각도는 다음과 같이 결정된다:

여기서 타겟 평면으로부터의 대물렌즈의 거리 및/또는 타겟 평면의 확장과 같은 설정의 기술적 조건은 초점 거리 및/또는 대물렌즈의 직경을 지정한다.

따라서 광학 재배열 장치를 통한 광기계적 빔 벤딩 및 광빔 확장 장치를 통한 빔 확장은 광기계 시스템의 실시 예에서, 각 채널에 대해 대물렌즈에 충돌하는 확장된 번들이 기술 조건에 따라 결정된 대물렌즈의 직경 내에 남아 있고 전자를 거의 완전히 조명하도록 구성될 수 있다.

전술한 방식으로, 본 발명의 실시 예는 타겟 평면 또는 이미지 표면 내에서 다수의 입력측 광원 지점

과 출력측 타겟 지점

의 크기의 매우 정밀한 연관을 동시에 가능하게 하며, 이 타겟 지점

은 반드시 고정되는 것은 아니다. 예를 들어, 부하에 따른 이온간 거리 또는 표유장의 영향을 받는 이온 위치는 이온 트랩에서 추적될 수 있다. 대물렌즈에 의해 광축(OA)을 중심으로 하고 그 직경에 대해 설정되고 적절한 마이크로 광역학에 의해 가능하게 되는 광학적 전체 배열에 의하면, 개구수와 관련된 사양이 본질적으로 타겟 평면 내의 해상도 요구 사항에만 의존하며 초점 거리와 관련하여 기본적으로 구성 관련 이유로 인해 작동 거리에만 의존하게 하는 대물 렌즈를 사용하는 것이 가능하게 된다. 예를 들어, 이미지 표면(190)이 이온 트랩 내에 있는 경우, 전술한 작동 거리는 예를 들어 진공 창의 두께 및 창으로부터 트랩의 거리에 의해 주어질 수 있다. 따라서 더 큰 개구수 또는 더 큰 직경을 갖는 더욱 값비싼 대물렌즈에 의한, 다른 광기계적 접근의 경우와 마찬가지로, 더 많은 이온 수에 대한 스케일링 작업은 제한되지 않는다. 유사한 방식으로, 이는 장치(100)를 적용하는 다른 기술적 예에도 적용된다. 본 발명의 실시 예에서 사용될 수 있는 제한된 개구수는 더 큰 초점 심도로 인해, 예를 들어 이온 평면과 같은 이미지 표면(190)과 관련하여 대물렌즈를 길이 방향으로 조정하는 데 필요한 비용을 추가적으로 제한한다. 접혀서 대물렌즈와 별개로 순전히 반사되는 광학 장치는 파장에 대해 또한 독립적인 컴팩트 설정을 가능하게 하고 따라서 ⁴⁰Ca+, ¹³⁸Ba+ 또는 기타 이온을 포함하는 이온 트랩에 대해 다양한 적용 사례에 사용될 수 있다.

특정 구현에서, 도 1의 장치는 예를 들어 Paul 트랩과 같은 이온 트랩 내에서 ⁴⁰Ca+ 이온의 선형 배열에 대해, 이미지 표면(190)에서 선형 배열을 위해 간략하게 하기 위해 광기계적 어드레싱 장치를 실현하기 위해 다음과 같이 치수가 정해질 수 있다. 서로 평행한 방식으로 연장되는 객체측 빔 번들의 제 1 세트(S1)의 광원(110)로서, 입력측 모노모드 섬유의 적절한 선형 배열이 사용될 수 있다. 광원(110)의 거리에 대해, 섬유 직경, 시준 렌즈(120)의 직경 및 필요한 채널 거리가 기계 시스템의 부분에서 고려되어야 한다. 기계 시스템에 의해 결정된 기준 그리드가 500μm라고 가정하면, 직경이 500μm 미만인 시준 렌즈(120)가 선택되어야 한다. 광원이 서로 다른 내에서 정렬될 수 있는 경우, 예를 들어 반대에 위치한 평면, 1mm 미만의 직경을 갖는 시준 렌즈(120)가 가능하다. 이온 트랩 내 ⁴⁰Ca+ 이온의 거리에 대해 평균값, 예를 들어, 약. 5 μm은 거리에 대해 100:1의 이미징 스케일이 결과로 추정될 수 있다. ⁴⁰Ca+ 이온에 대한 광학 장치(100) 또는 광학 어드레싱 장치의 파장은 729nm에 이른다. 약 2.5 μm의 공급 모노모드 광섬유(110)의 모드 필드 반경은, 근사치로 입력 가우시안 허리로 간주될 수 있다. 상기 광로 내에 배치되고, 측면이 채널 거리에 의해 상한선이 설정되는 재배열 유닛(130, 140)은 빔의 번들 직경을 제한한다. 따라서 이 위치에서 번들 반경은 150 μm 미만으로 유지되어야 한다. 이온 트랩 중심의 개별 이온간 거리가 5 μm 미만인 경우, 조정 가능한 미러(130)의 굽힘 요소의 크기를 500㎛ 미만으로 선택하는 것이 바람직한데, 즉, 굽힘 요소(130, 140)에서 번들 직경(W)은 100㎛보다 작게 선택되어야 할 것이다. 도 1은 시준 렌즈(120) 뒤에 약하게 수렴되는 번들을 갖는 유리한 구현을 도시한다.

이미징 스케일을 구현하기 위해, 광빔 확장 유닛, 광학 요소(150)의 초점 거리 f_OE, 및 대물렌즈의 초점 거리 f_obj가 적절하게 치수화되어야 한다. 광원 지점 Y 광원의 거리와 타겟 지점

의 거리 사이의 상관 관계에 대해, 일반성의 손실 없이 y 방향의 선형 배열로과 같은 각 경우에, 광학 촬상 소자(150)가 초점 거리 f_OE를 갖는 경우 및 광빔 확장 유닛(161, 162)이 초점 거리 f_T,1 및 f_T,2의 2개의 렌즈 T1, T2를 갖는 망원경이라고 가정하는 경우, 다음과 같은 상관 관계를 식의 형태로 구할 수 있다:

광학 촬상 소자(150)가 곡률 반경 R_{c_mirr}을 갖는 포물면 미러로 구성되면, 수학식 6은 적절한 상관 관계로 결과된다.

수학식 6 및/또는 7의 경우, 광원 평면으로 평행하게 정렬된 섬유의 거리는 적절한 재배열 유닛(130, 140) 및/또는 광기계학적 시스템의 일부에 대해 병렬성을 유지하면서 1:1의 비율로 이미징 광학 요소(150)의 광축(OA)으로부터의 거리로 변환된다고 가정된다.

재배열 유닛(130, 140)이 위에서 언급한 병렬 처리 요구 사항을 유지하면서, 광축 OA로부터의 거리를 나타내는, 이미징 광학 요소 상의

에 의해 지정된 위치로 광원 위치

의 변환을 가능하게 하는 경우, 다음에 의해:

및/또는 이미징 광학 요소로서의 포물선 미러의 경우, 다음에 의해:

광원 및 타겟 지점의 자유로운 연관이 어드레싱될 수 있다:

광원 위치

와 위치

의 연관의 가능한 구현이 예시로서 도 3에 요약되어 있다. 연관성의 가변성을 설명하기 위해, 다양한 가능성이 예시 방식으로 표시된다. 적용의 경우 N 광원 채널, 또는 N 타겟 채널을 갖는 광원 지점

, 또는 타겟 지점

의 연관성을 제공한다.

예를 들어 NA가 0.3인 대물렌즈를 가정하면, 이온 평면 내에서 729nm의 파장에 대해 <1.5μm의 허리 크기가 생성될 수 있다. 상기 허리 크기는 약 5μm의 거리에 위치하는 이온 위치의 정밀한 어드레싱을 가능하게 한다. 10mm 이상의 두께의 진공 창 뒤에서 이온 트랩의 작동을 허용하는 30mm의 초점 거리를 계속 가정하는 경우 및 10:1의 이미징 스케일에 대해 일반적인 광빔 확장 유닛(161, 162)을 사용하는 경우, 광원 지점

의 거리 대 타겟 지점

의 거리의 비율에 해당하는 100:1의 이미징 스케일은 예를 들어 곡률 반경이 600mm인 미러의 경우 초점 거리가 300mm인 광학 요소(150)로 구현된다.

도 1과 같은 본 출원의 실시 예들에서, 예를 들어, 광빔 확장 유닛(161, 162)은 포물면 미러로부터 f_OE + f_T1+△의 적절한 거리에 배치된다. 따라서 번들 중첩의 위치 또는 지점 X는 망원경의 제 1 렌즈(T1) 앞에서 거리 f_T,1 + △에 있고, 결과적으로 예를 들어, 도 1 및 도 4에 도시된 바와 같이, 번들이 망원경의 출력 측에서 중앙에 배치된다. △를 결정할 가능성은 아래에서 추론될 것이다.

그에 따라 주어진 및/또는 요구되는, 광빔 확장 유닛의 대물렌즈 및/또는 출력 직경의 조명은 광섬유측 광 시준 유닛(120)으로 본질적으로 설정된다. 기존의 마이크로 렌즈를 사용한다면, 설정은 대상 거리가 공칭 초점 거리 f에서 몇 % 벗어나도록 선택되었다는 사실에서 비롯되므로, 원하는 약간의 수렴 또는 발산이 달성될 수 있다. 예를 들어, 레이저 또는 광섬유 출력과 같은 광원와 시준기 사이의 거리는 공칭 초점 거리의 0.9배에서 1.1배 사이에 있다.

본 발명의 실시 예의 의도된 적용 분야는 이미 위에서 언급한 바와 같이 양자 기술이며, 여기서 이온 트랩 내에서 복수의 이온을 동시에 어드레싱하게 되면 필수의 부분 작업을 제공하게 된다. 다양한 다른 응용 분야 내에서 유사한 작업이 있으며, 이들은 통신 기술, 센서 시스템 또는 산업 응용 분야의 빔 유도 분야내에 있을 수 있다.

도 3은 예를 들어 본 명세서에서 선형으로 배열된 모노모드 섬유로부터 유래하는 빔 번들을 포함하는, 재배열 유닛(130, 140)의 개략도를 도시한다. 도 3의 실시 예에서, 각각의 모노모드 섬유는 광학적 의미에서 약하게 수렴 및/또는 약하게 발산하는 빔의 번들을 생성하는 개별 시준기(120a...d)를 포함한다. 광원 지점

에 해당하는, 빔 범들의 개별 위치(pos. 1 .. 4)는 빔 번들당 적절하게 이동 및/또는 조정 가능한 미러(130a ..d)에 의해 광학 요소(150) 및 및 모든 빔 번들에 제공되는 강성 미러(140)상의 위치(pos 1' .. 4')와 연관된다. 이러한 맥락에서, 개별 빔 번들은 상호 이동될 뿐만 아니라 재배열될 수도 있다. 도 3에서, 위치(pos 1 .. 4)에서 위치(pos 1' .. 4')로의 개별적 변위는 화살표로 표시된다. 조정 가능한 미러(130a...b)는 바람직하게는 선형 이동을 허용하도록 지지된다. 실시 예에 따라, 전체 광학 재배열 유닛(130, 140) 또는 그 일부는 기계적 및/또는 압전 및/또는 자기적으로 제어 가능한 작동 요소에 의해 제어될 수 있다. 광소자(100)의 광로를 따라, 광학 재배열 유닛(130, 140)은 광학 경로에서 조정 가능한 미러(130) 뒤에 배열되고 빔 번들이 광학 요소(150)를 향해 지향되게 하는 강성 미러(140)를 포함한다.

도 3의 예에 의해 예시된 바와 같이, 광학 재배열 유닛(130, 140)은 위치(pos1 .. 4)에서 위치(pos 1' .. 4')로의 재배열을 달성하도록 구성되므로 커버된 거리가 유지되어, 빔 번들의 제 1 세트(S1)의 각 빔 번들은 빔 번들의 제 2 세트(S2)의 빔 번들이 되거나 이에 기여하기 위해서 광 재배열 유닛(130, 140)을 통과할 때, 재배열 설정과 무관한 거리를 포함하게 된다. 또한, 광학 재배열 유닛(130, 140)은 빔 번들의 제 2 세트(S2)가 빔 방향에 평행하거나 계속 평행하도록 하는 방식으로, 서로 또한 빔 방향과도 평행성을 유지하면서, 빔 방향에 평행한 빔 번들의 제 1 세트(S1)를 재배열하도록 구성된다.

타겟 지점

의 최적 조명을 가능하게 하는 광학 장치(100)의 개별 광학 구성요소에 대한 바람직한 설정은 여러 개의 연속된 다이어그램을 참조하여 아래에서 설명한다.

도 4는 바람직한 실시 예에 따른 천체 망원경에 의한 빔 번들의 번들 중첩 및 빔 확장을 예시하기 위한 단순화된 다이어그램을 도시한다. 문제를 단순화하기 위해, 개별 빔 번들의 시준기(120)에서 시작하는 광학 경로가 도시되어 있으며 재배열 유닛(130, 140)은 도시되어 있지 않다. 광학 요소(150)를 향하는 빔 번들은 단지 약간의 수렴 또는 발산을 나타내고, 도면에서 점선으로 표시된 광학 축(OA)과 평행하게 연장된다. 개별적인 빔 번들은 광학 요소(150)에 의해 편향된다. 빔 번들은 광학 요소(150)의 초점 거리 f_OE에서 수렴하 며, 모든 빔 번들의 공통 중심은 광학 요소(150)의 초점에 위치한 지점 X에 의해 정의된다. 이러한 맥락에서, 지점 X의 위치는 광빔 확장 유닛(161, 162)의 입력측 광학 요소 또는 입력측 렌즈(T1) 앞에서 미리 정해진 거리

떨어져 배치된다. 본 실시 예에서, 입력 측 렌즈 T1로부터의 지점 X의 거리가 설정되므로 광빔 확장 유닛(161, 162)에 의한 빔 번들의 확장은 본질적으로 출력측 렌즈 T2를 완전히 비출 뿐만 아니라 이의 하류측에 배열된, 예를 들어, 대물 렌즈와 같은 광학 이미징 유닛(170)이 각각의 확장된 빔 번들에 대해 50% 이상, 구체적으로 예를 들어 50% 이상을 조명하도록 한다. 광학 요소(150)에 의해, 빔 번들의 원래 위치/배향, 즉, 근축 빔 번들의 다양한 위치 및 동일한 각도가 동일한 위치 및 다양한 각도로 전달된다. 광원(110), 예를 들어 모노모드 광원은, 또한 1차원 또는 2차원 방식으로 배열될 수 있다.

도 5는 추가 실시 예에 따른 천체 망원경에 의한 빔 번들의 번들 중첩 및 빔 확장을 예시하기 위한 단순화된 다이어그램을 도시한다. 도 4와 달리, 도 5에서는 망원경의 입력측 광학소자 또는 입력측 렌즈(T1)로부터의 거리에서 지점 X의 위치는 빔 번들이 출력측 광학 요소, 출력측 광학 렌즈(T2), 또는 하류측 대물렌즈(170)에서 서로 반드시 중첩될 필요가 없도록 결정된다. 따라서, 도 5는 광빔 확장 유닛(161, 162)의 입력측 광학 요소(161)와 광학 요소(150) 사이의 거리가 적응되지 않은 번들의 광학 경로를 도시한다.

도 6을 통해 설명되는 바와 같이, 광축 OA으로부터 서로 다른 거리에 있는 광원으로부터 평행하게 발생하는 모든 빔 번들은 출력측 광학 요소(162) 또는 출력 측 렌즈 T2에서, 뿐만 아니라 광빔 확장 유닛(161, 162)의 하류측에 연결된 대물렌즈(170)에서 서로 완벽하게 중첩한다는 사실을 고려하여 광학 장치를 바람직하게 설정 또는 치수화한다. 도 4 및 도 5를 참조보면, 광학 장치(100)를 통해 연장되는 광학 경로의 차이를 명확하게 식별할 수 있다.

도 6을 이용하여, 실시 예에 따른 빔 번들의 최적 중첩을 위한 상술한 치수가 예시된다. 이를 위해 문제를 단순화함으로써, 광빔 확장 유닛(161, 162) 뿐만 아니라 개별 빔 번들의 중첩 위치에 지점 X를 포함하는 도 4 및 5의 부분만이 도시된다. 요구되는 조건은, 이미징 광학 요소(150) 이후의 거리 f_OE에서 일치하는 빔 번들의 번들 중심이 또한 망원경의 출력측 광학 요소 또는 출력측 렌즈 T2의 평면 내에서 다시 일치하게 된다는 데에 있다. 도 6에서, 개별 빔은 이미징 광학 요소(150)의 상이한 위치로부터 시작되고 광빔 확장 유닛(161, 162)을 향해 연장되는 개별 빔 번들의 각각의 중심을 나타낸다. 조건은 다음이 적용되는 이미징 작업으로 공식화될 수 있다:

지점 X 또는 객체 점은 광축 OA에 위치하며 빔 번들의 모든 중심, 즉 번들 중심이 일치하는 위치이다. 지점 X는 이미지 거리 f_T,1 + f_T,2에서 렌즈 T1에 의해 광학 축에 위치하는 이미지 점으로 이미지화된다. 이미징 작업을 충족하기 위한 정의된 크기는 객체 점 또는 X와 T1 사이의 거리이다.

이를 위해 다음을 이미징 방정식에 삽입해야 한다:

객체 너비 s로, 크기 f_T1 + △

이미지 거리가 s'로, 크기 f_T1 + f_T2, 및

초점 거리 f로, 크기 f_T1,

그 결과, 결정될 크기 △는 다음과 같다:

대안적인 실시 예에 따르면, △는 ED 2에 따라 값의 ± 50% 범위 내에 위치하는 것으로 충분한다.

대물렌즈(170) 내 번들 중첩의 경우, 예를 들어 추가 광학 요소가 그곳의 광학 경로에 도입될 때, T2와 대물렌즈(170) 사이의 유한한 거리를 고려할 때 △의 사소한 수정이 발생한다.

도 7은 빔 번들이 심하게 시준된 경우 대물렌즈(170)의 불충분한 조명을 설명하기 위한 앞의 도 4 내지 도 6의 유추에 의해 렌즈 T1, T2를 포함하는 천체 망원경에 의한 번들 중첩 및 빔 확장을 예시하기 위한 단순화된 다이어그램을 도시한다. 광빔 확장 유닛(161, 162) 및/또는 광빔 확장 유닛(161, 162)의 하류측에 연결된 대물렌즈(170)의 출력측 광학 요소 또는 출력측 렌즈(T2)의 조명은 촬상 광학 소자(150)에 충돌하는 평행한 빔 번들은 일정한 수렴 또는 발산을 나타내도록, 즉, 이상적인 방식으로 시준되지 않도록 설정된다. 이것은 도 4에서 이미징 광학 요소(150)의 좌측으로부터 수집될 수 있으며, 개별 빔 번들의 곡선은 가우시안 빔 번들을 나타낸다.

너무 심하게 시준된 빔 번들의 경우, 도 7로부터, 빔 번들 출력측 광학 요소(T2) 및/또는 광빔 확장 유닛(161, 162)의 하류측에 연결된 대물렌즈(170)의 매우 작은 부분만을 조명하게 될 것임을 인식할 수 있다.

도 8은 도 2의 가우시안 빔을 설명하는 것과 관련하여 실시 예에 따른 천체 망원경에 의한 빔 확장을 예시하기 위한 단순화된 다이어그램을 도시한다. 도 8은 광원 지점

와 타겟 지점

의 거리가 인자 100 만큼 차이가 나는 실시 예를 설명한다. 따라서, 도 8의 허리 크기로부터 수집될 수 있는 바와 같이 빔 번들 또는 번들 허리의 크기도 감소된다. 100:1 크기 감소의 시작점은 광원(110)의 빔 번들의 허리가 아니고, 이상적인 시준을 수행하도록 설정되지 않은 시준 렌즈(120)에 의해 형성되는 허리이다. 실시 예에서, 후자는 89 마이크로미터에 달하며 대물렌즈의 초점면 내에서 크기가 100:1 감소하여 0.89 마이크로미터의 허리 크기로 변환된다.

도 9는 일 실시 예에 따른 굴절 광빔 확장 유닛(161, 162)을 사용하는 동안 광학 장치(100)의 광 경로를 예시하기 위한 단순화된 다이어그램을 도시한다. 도 1의 실시 예와 달리, 도 9의 실시 예는 반사 광학 요소(150)를 포함한다. 반사 결상 광학 소자(150)는 예를 들어 포물면 미러일 수 있다. 반사 이미징 광학 요소(150) - 포물선 미러 -를 포함하는 실시 예에서, 광원(110) 또는 시준기(120)는 음영이 발생하지 않도록 특정 각도로 배치된다.

도 10은 반사형 광빔 확장 유닛(165, 166)을 사용하는 동안 광학 장치(100)의 광 경로를 예시하기 위한 단순화된 다이어그램을 도시한다. 앞서 설명한 도 1 및 도 3 내지 9의 실시 예와 달리, 도 10의 실시 예는 재배열 유닛(130, 140)을 포함하지 않는다. 빔 광원(110)의 개별 평행 빔 번들은 빔 광원(110)와 시준기(120) 바로 위에서 이미징 광학 요소(155)로 직접 안내되고, 이로부터 빔 번들은 두 개의 포물선 미러를 포함하는 반사 망원경 형태의 광빔 확장 유닛(165, 166)을 통해 대물렌즈(170)에 전달되고, 이를 통해 빔이 이미지 표면(190)에 집광된다.

이러한 결과를 가져온 연구 작업은 유럽 연합의 지원을 받았다.

참조 번호 목록:

100 광학 장치

110 광원

120 a..b 시준기

130 a..b 조절 가능한 미러

140 고정 경질 미러

150 이미징 광학 요소

155 이미징 광학 소자(포물면 미러)

170 광학 이미징 유닛, 대물렌즈

190 이미지 표면 또는 이미지 평면

161, 162 광빔 확장 유닛(굴절 망원경)

165, 166 광빔 확장 유닛(반사 망원경)

POS 1..4 재배열 이전 빔 번들의 위치

POS 1'..4' 재배열 이후 빔 번들의 위치

T1 입력측 광학 요소(161) 또는 입력측 렌즈 망원경

T2 출력측 광학 요소(162) 또는 출력측 렌즈 망원경

f_OE 광학 요소의 초점 거리(150)

f_T,1 입력 측 광학 요소 T1의 초점 거리

f_T,2 출력측 광학 요소 T2의 초점 거리

D 직경

△ 편차

θ 각도

λ 파장

광원 지점 또는 광원 위치

이미지 표면(190) 상의 타겟 지점 또는 타겟 위치

포물면 미러의 반경(초점 거리)

이미징 광학 요소의 위치

Claims

이미지 표면에 물체측 상호 평행한 빔 번들의 제 1 세트(S1)를 이미징하기 위한 광학 장치(100)에 있어서,
광빔 확장 유닛(161, 162);
상호 평행한 빔 번들의 제 2 세트(S2)를 획득하기 위해 상호 평행성을 유지하면서 상기 상호 평행한 빔 번들의 제 1 세트(S1)를 재배열하도록 구성된 광학 재배열 유닛(130, 140);
상기 광빔 확장 유닛(161, 162)에 빔 번들의 제 3 세트(S3)가 도달되도록, 번들링에 의해 하나 이상의 빔 번들의 상기 제 2 세트(S2)를 상기 광빔 확장 유닛(161, 162) 상으로 지향하도록 구성된 광학 요소(150) - 상기 광빔 확장 유닛(161, 162)은 확장된 빔 번들의 제 4 세트(S4)를 획득하기 위해 상기 제 3 세트(S3)의 각 빔 번들을 확장하도록 구성됨 - ; 및
상기 확장된 빔 번들의 제 4 세트(S4)를 상기 이미지 표면(190) 상에 이미징하도록 구성된 광학 이미징 유닛(170)
을 포함하는, 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 빔 번들의 제 1 세트(S1)의 각 빔 번들 각각에 대해, 이로부터의 상기 각 빔 번들이 상기 광학 재배열 유닛(130, 140)에 충돌하게 되는, 광원(110)
를 더 포함하는, 장치.
제 2 항에 있어서, 상기 빔 번들의 제 1 세트(S1)의 각 빔 번들에 대한 광원(110)은,
모노모드 광원, 또는
멀티모드 광원, 또는
멀티모드 광원
를 포함하는, 장치.
제 3 항에 있어서, 상기 빔 번들의 제 1 세트(S1)의 각 빔 번들에 대해, 이로부터 상기 빔 번들의 제 1 세트(S1)의 각 빔 번들이 상기 광학 재배열 유닛(130, 140)의 방향으로 통과하도록 하는 시준기(120)
를 포함하는, 장치.
선행 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 빔 번들의 제 1 세트(S1)의 각 빔 번들에 대해, 시준기로 GRIN 렌즈를 포함하는 모노모드 광섬유
를 포함하는, 장치.
선행 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광학 요소(150)는 상기 빔 번들의 제 2 세트(S2)를, 상기 광빔 확장 유닛(161, 162)의 입력측 광학 요소(T1)의 초점 거리(f_T,1)의 두 배보다 작은 미리 결정된 거리에서 상기 입력측 광학 소자(T1)의 앞이나 뒤에서 번들링하도록 구성되어, 상기 빔 번들의 제 3 세트(S3)의 상기 빔 번들이 서로 중첩하도록 하는, 장치.
제 6 항에 있어서, 상기 미리 결정된 거리는 상기 입력측 광학 요소(T1)의 초점 거리(f_T,1)의 0.5배와 1.5배 사이인, 장치.
제 6 항 또는 제 7 항에 있어서, 상기 미리 결정된 거리는

일 때, f_T,1 + △의 0.5와 1.5 사이이고,
여기서 f_T1은 상기 입력측 광학 요소(T1)의 상기 초점 거리(f_T,1)이고, f_T2는 함께 망원경을 형성하는, 상기 광빔 확장 유닛(161, 162)의 상기 출력측 광학 요소(T2)의 상기 초점 거리(f_T,2)인, 장치.
제 5 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광학 이미징 유닛(170)은 빔 번들의 제 4 세트(S4)의 빔 번들의 단면의 1.5배 이상의 직경을 포함하는, 장치.
선행 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광학 요소(150)는 1단 또는 다단 굴절 광학 요소로 구성되는, 장치.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광학 요소(150)는 반사 광학 유닛으로 구성되는, 장치.
선행 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광 재배열 유닛(130, 140)은 상기 빔 번들의 제 1 세트(S1)와 비교하여 상기 빔 번들의 제 2 세트(S2)의 재배열을 설정하도록 제어되는, 장치.
선행 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광학 재배열 유닛(130, 140)은 기계적으로 조정 가능한 미러(130)를 포함하는, 장치.
제 13 항에 있어서, 상기 기계적으로 조정 가능한 미러(130)가 선형으로 움직일 수 있도록 하는 베어링
을 더 포함하는, 장치.
선행 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광학 재배열 유닛(130, 140)은 기계적 및/또는 압전 및/또는 자기적으로 구동 가능한 작동 요소를 포함하는, 장치.
선행 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광학 재배열 유닛(130, 140)은 거리가 유지되도록 재배열을 성취하도록 구성되어, 상기 빔 번들의 제 1 세트(S1)의 각 빔 번들이 상기 빔 번들의 제 2 세트(S2)의 빔 번들이 되거나 이에 기여하기 위해서 상기 광학 재배열 유닛(130, 140)을 통과할 때, 상기 재배열의 설정과 무관한 거리를 커버하도록 하는, 장치.
제 14 항 또는 제 15 항에 있어서, 상기 광학 재배열 유닛(130, 140)은 상기 조정 가능한 미러(130) 뒤에 상기 광학 장치(100)의 광학 경로를 따라 배열된 강성 미러(140)를 포함하는, 장치.
선행 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광학 재배열 유닛(130, 140)은 빔 번들의 제 2 세트(S2)가 빔 방향에 평행하도록 서로 및 빔 방향과 평행성을 유지하면서, 상기 빔 방향에 평행한 상기 빔 번들의 제 1 세트(S1)를 재배열하도록 구성되는, 장치.
선행 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광빔 확장 유닛(161, 162)은 굴절 망원경으로 구성되는, 장치.
선행 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광빔 확장 유닛(161, 162)은 반사 망원경으로 구성되는, 장치.
선행 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 세트(S1)의 상기 빔 번들은 단색광을 포함하는, 장치.
선행 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광빔 확장 유닛은 상기 빔 번들의 제 4 세트(S4)의 각 빔 번들에 의해 상기 광학 이미징 유닛(170)의 50% 이상을 조명하는, 장치.
선행 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 세트(S1)의 상기 빔 번들은 상기 광학 요소(150)에 의해 상쇄되지 않는 약한 발산으로 상기 광학 요소에 충돌하므로, 상기 빔 번들의 제 3 세트(S3)의 상기 빔 번들은 약하게 발산하는, 장치.
선행 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 1 세트(S1)의 상기 빔 번들은 상기 광학 소자(150) 앞에서 허리에 약하게 수렴하도록 생성되거나 약하게 발산하도록 생성되는, 장치.