WO2002052354A2 - Optisches system - Google Patents

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WO2002052354A2
WO2002052354A2 PCT/EP2001/013446 EP0113446W WO02052354A2 WO 2002052354 A2 WO2002052354 A2 WO 2002052354A2 EP 0113446 W EP0113446 W EP 0113446W WO 02052354 A2 WO02052354 A2 WO 02052354A2
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reflector
optical system
opening
focal point
optical
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Rudi De Jongh
Martin Frömel
Nicolas ÖXLE
Frank Knocke
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Xetos Ag
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    • G03H2222/31—Polarised light

Definitions

  • the invention relates to an optical system for imaging a parallel light beam in a light beam propagating in all directions of a half space and vice versa.
  • the opening angle should be as large as possible.
  • the maximum opening angle is around 80 °. It should be noted, however, that the lens errors also increase with a larger aperture.
  • the refraction of the light falling through the positive lens Beam, the plane of polarization of the incident light is rotated, and the stronger, the greater the angle of incidence of the beam on the first lens surface, that is, the more the lens surface is curved at the point in question.
  • a polarization rotation is undesirable in the case of holographic recording, since in the worst case a polarization rotation of 90 ° with respect to the reference beam, which likewise strikes the film to be exposed, would lead to extinction.
  • the holographic films can only be inadequately exposed with the known method using the known optical systems from the prior art.
  • JP 63033879 AA a generic optical system is known in which a light-emitting diode is arranged in the focal point of a parabolic mirror stump, which reflects the light beams emitted laterally by the light-emitting diode in parallel in the direction of light. Furthermore, a convex lens system is arranged within the parabolic stump in such a way that the light rays emanating from the light-emitting diode with a smaller opening angle are also converted into parallel light rays.
  • the publication is silent about other applications of this optical system. In particular, the system shown lacks an entry opening through which light arriving from outside can be converted into the parallel light beam.
  • the publication DE 199 04 899 AI shows an intensive surface illuminator for video test systems, in which the light of several light sources arranged in a ring around a lens falls laterally via a parabolic reflector onto an object that can be inserted into the focal point of the parabolic reflector.
  • the angle of incidence of the light on the object can thus be controlled by selecting certain light elements.
  • the invention is based on the object of creating an optical system for imaging a parallel light beam into a light beam which propagates in all directions in a half space and vice versa, which in particular does not have the disadvantages of the positive lens discussed above.
  • an optical system for imaging a parallel light beam into a light beam that propagates in all directions of a half space and vice versa with a reflector with a parabolic reflecting surface, and a converging lens, the optical axis and the focal point of which is the optical axis or the The focal point of the reflector coincides, the converging lens and the reflector being designed such that the two marginal rays of the reflector and converging lens each pass through the focal point of the reflector at essentially the same angle, the reflector comprising a first opening for the half-space beam, de - Ren opening area is the sectional area of a plane through the reflector, which is perpendicular to the optical axis of the reflector and contains the focal point, and the reflector comprises a second opening for the parallel beam, the opening surface is a plane through the reflector, which is perpendicular au f is the optical axis of the reflector and contains the point of incidence of the above-mentioned reflector edge beam on
  • this optical system it is advantageously possible to convert all light rays incident from this half space below the first opening into this opening into a parallel beam emerging from the second opening and vice versa. For example, this corresponds to a frog eye with a solid angle
  • the optical system comprises an essentially solid parabolic mirror 1, the parabolic outer surface of which is turned from an acrylic glass block.
  • the parabolic outer surface is then mirrored from the outside, so that the parabolic mirror 1 has an inwardly reflecting outer surface.
  • the parabolic surface can also be milled from the inside out of a solid piece of any material or otherwise manufactured, in which case the inside surface is mirrored from the inside.
  • the parabolic mirror 1 can also be produced directly from a metal with high reflectivity, in which case the subsequent mirroring is unnecessary.
  • any optical means which has a parabolic light-reflecting layer and is able to focus a beam incident in parallel exactly into a focal point A, regardless of its lateral position.
  • the parabolic, reflective layer can also be implemented using a corresponding grating, a corresponding diffraction structure, etc.
  • the parabolic mirror 1 Due to its design, the parabolic mirror 1 has an optical axis B, which is a central axis of the parabolic mirror 1, around which the parabolic mirror 1 is constructed to be rotationally symmetrical.
  • the focal point A of the parabolic mirror 1 also lies on the optical axis B.
  • the parabolic mirror 1 is now cut open at its generally closed end so that it has a front first opening 2, the opening surface of which is perpendicular to the optical axis B and which contains the focal point A. All light rays coming from the right of the opening 2 at any angle from the half-space in the figure can now be directed onto the reflecting inner surface of the parabolic mirror 1 fall and are reflected from there into parallel light beams. If it is not necessary to image the entire half-space of the opening 2 in parallel light beams, the opening 2 can be arranged further inward from the focal point A (thus arranged further to the left in the figure).
  • a second rear opening 3 of the parabolic mirror 1 is located on the open side of the paraboloid of revolution of the parabolic mirror 1.
  • This opening 3 has a cross-sectional area that is also perpendicular to the optical axis B of the parabolic mirror 1.
  • the distance of this opening surface with respect to the focal point A of the parabolic mirror 1 is measured according to the edge beam C incident on the parabolic mirror 1, which is reflected into the focal point A in such a way that it does not yet fall through a converging lens 4 described below.
  • This converging lens 4 is arranged within the parabolic mirror 1 such that on the one hand its optical axis coincides with the optical axis B of the parabolic mirror 1 and on the other hand its focal point coincides with the focal point A of the parabolic mirror 1.
  • This converging lens 4 also focusses the rays of the half-space incident on the second front opening at a steeper angle than the edge ray C and thus covers the entire angular range from the perpendicularly incident ray to the angle of the edge ray C.
  • Their diameter is dimensioned such that the edge beam C of the parabolic mirror 1 falls on the focal point A at the same angle as a corresponding edge beam D of the converging lens 4.
  • the parabolic mirror 1 thus covers an angular range of the light rays originating from the half-space to the right of the opening 2 between 90 ° (light rays which strike the parabolic tip of the parabolic stump 1) and an edge angle which results from the slope of the parabolic, reflective one Surface at the parabola edge directly at the second opening 3 or from the diameter of the converging lens 4.
  • the angular range between 0 ° (ie perpendicular to the front Opening 2 striking light beam) up to the angle of the edge beam C covers the converging lens 4.
  • the substantially solid parabolic mirror 1 can have a cylindrical projection 5 at its second opening 3, which is aligned coaxially to the optical axis B of the parabolic mirror 1.
  • the outside diameter of this cylindrical projection 5 corresponds to the outside diameter of the converging lens 4, so that the edge beam D of the converging lens 4 is just passed through the cylindrical projection 5.
  • the projection 5 is of course transparent, it preferably being made from the same material as the parabola stump 1.
  • the cantilever 5 and parabolic stump 1 can particularly preferably be formed in one piece, i.e. that the cantilever 5 is subsequently turned out of the parabola 1, for example.
  • the height of this overhang 5 is dimensioned such that the light falling through the converging lens 4 onto the focal point A requires the same time as the light reflected from the parabolic mirror 1 into the focal point A. For this it is necessary to know the refractive index of the massive parabolic mirror and the projection 5, which are preferably the same.
  • the converging lens 4 is manufactured in such a way that a through hole is drilled coaxially to the optical axis B in the parabolic stump 1, which thus extends from the first opening 2 to the second opening 3.
  • the inside diameter of this through hole corresponds to the outside diameter of the converging lens.
  • a cylindrical, transparent rod is now inserted into the bore such that its flat outside is flush with the stump surface of the parabola stump 1. Its other end is designed as a concave curved surface for the purpose of forming the converging lens 4.
  • both cylindrical rods corresponds to the inside diameter of the bore.
  • the concavely shaped end can also be provided on the second cylindrical rod, at the end of which is located inside the parabolic stump 1.
  • the first cylindrical rod has two flat ends.
  • the second rod protrudes from the second opening 3 so that the different paths between the parabolic mirror 1 and the converging lens 4 are balanced.
  • the parabolic mirror 1 can be accommodated in a cylinder jacket, the empty spaces of which are subsequently filled, in particular foamed, for protection purposes from scratching the mirrored outer surface, etc.
  • One possible application of the optical system described is in the exposure of a holographic film, which can be recorded, for example, in a film carrier which is arranged in front of the first opening 2.
  • An LCD surface (not explicitly shown) is arranged at a suitable point in the parallel light beam striking the parabolic mirror 1 via the second opening 3 and can control or hide certain light beams of the parallel light beam by controlling its individual pixels.
  • Such a holographic exposure method is advantageously used, for example, in the known DOT matrix method.
  • the hologram film to be exposed is exposed pixel by pixel, for example by means of the film carrier being displaceable in the opening area of the first opening 2 with respect to the focal point A of the optical system, so that each pixel of the hologram film comes to lie in the focal point A one after the other.
  • the reference beam required for the exposure can now be transmitted as the central beam of the parallel light beam along the optical axis B, while the information to be stored in the pixel is transmitted through the angle Transparent switching of a pixel or several contiguous pixels of the LCD surface is exposed.
  • the different exposure angles from 90 ° to 0 ° to 90 °, that is to say a total solid angle of 2 ⁇ , can thus be set in succession.
  • a steady jump occurs in the angular course since, for example, the light beam D, which falls on the focal point A at a certain angle, has to be switched to the light beam C, which is essentially below that same angle on the focal point A falls.
  • the pixels arranged around the optical axis B must first be switched to transparent up to the light beam D, and then in the opposite direction from the light beam C back to the light beam D.
  • This control device can have, for example, a correction module for correcting the continuity jump.
  • the optical system can also be used generally as imaging optics with an aperture angle of 2 ⁇ .
  • the applications of such imaging optics are diverse. If, for example, a first optical system is coupled to a second optical system in such a way that the two first openings face each other and the coupled overall system has a common optical focal point A, the two light beams incident on the second openings 3 of the optical systems can be used set an illumination or irradiation of an object arranged in the focal point A over the entire solid angle range. This can be for example for the reconstruction of any object by means of a laser beam or similar light beams. Methods are already known for exposing and treating a special material in such a way that a three-dimensional object can then be reconstructed.
  • two such optical systems can be coupled to one another in such a way that their two second openings 3 face each other.
  • a further magnification or reduction optics can be arranged, the two parabolic mirrors 1 not having to be of the same size, but rather being adapted in size to the respective parallel light beam originating from them in accordance with the intermediary magnification or reduction optics.
  • This composite optical system is suitable for three-dimensional magnification, for example in microscopy, but also when observing the sky, etc.
  • this composite parabolic module can significantly increase the resolution compared to conventional objectives, since both the lateral and the axial resolution depend to a large extent on the aperture.
  • the optical system also offers a great advantage in the area of holographic data storage. This is because the information density can be increased considerably compared to conventional collecting optics, since rays from the angular range of the entire half-space can be brought to interference.
  • two optical systems can be connected to one another via a tube via their second openings 3 in such a way that an optical instrument is created overall, which permits all-round imaging in the manner of a frog's eye and transmits this all-round imaging over any distance.
  • a flexible optical waveguide can also be interposed, as a result of which the two first openings 2 of the two optical systems are arranged at different positions can be.
  • Such an optical system can be used, for example, as a peephole or in miniaturized form as an endoscope. The steady jump in the angular course of the light rays is compensated for directly by optical means.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein optisches System zum Abbilden eines parallelen Lichtstrahles (Parallelstrahl) in einen in alle Richtungen eines Halbraums sich ausbreitenden Lichtstrahl (Halbraumstrahl) und umgekehrt. Das optische System umfaßt einen Reflektor (1) mit einer parabolförmigen reflektierenden Oberfläche, und eine Sammellinse (4), deren optische Achse und deren einer Brennpunkt mit der optischen Achse (B) bzw. dem Brennpunkt (A) des Reflektors (1) zusammenfallen. Dabei sind die Sammellinse (4) und der Reflektor (1) derart ausgestaltet, daß die beiden Randstrahlen (C,D) von Reflektor (1) und Sammellinse (4) jeweils unter im wesentlichen dem gleichen Winkel durch den Brennpunkt (A) des Reflektors (1) gehen. Eine erste Reflektor-Öffnung (2) für den Halbraumstrahl ist die Öffnungsfläche derjenigen Schnittfläche durch den Reflektor (1), die senkrecht auf der optischen Achse (B) des Reflektors (1) steht und den Brennpunkt (A) enthält. Eine zweite Reflektor-Öffnung (3) für den Parallelstrahl ist die Öffnungsfläche derjenigen Ebene durch den Reflektor (1), die senkrecht auf der optischen Achse (B) des Reflektors (1) steht und den Auftreffpunkt des genannten Reflektor-Randstrahls (C) auf den Reflektor (1) enthält. Mit diesem optischen System kann beispielsweise ein an der ersten Öffnung (2) angeordneter Hologrammfilm mittels einer an der zweiten Öffnung (3) angeordneten LCD-Fläche derart belichtet werden, daß über das Schalten der einzelnen Pixelelemente der LCD-Fläche der Belichtungstrahl auf den Hologrammfilm über einen Gesamtwinkelbereich von 2π eingestellt werden kann. Das optische System eignet sich in Kombination zweier solcher Systeme sowie weiterer optischer Mittel ferner noch als Endoskop, Türspion, Vergrößerungsoptik, Verkleinerungsoptik und als System zum Rekonstruieren dreidimensionaler Objekte, etc.

Description

Optisches System
Die Erfindung betrifft ein optisches System zum Abbilden eines parallelen Lichtstrahles in einen in alle Richtungen eines Halbraumes sich ausbreitenden Lichtstrahl und umgekehrt.
Insbesondere bei der computergesteuerten Belichtung von holo- graphischen Filmen nach dem sogenannten "Dot-Matrix" -Prinzip ist es erforderlich, daß Einzelstrahlen des Objektstrahls unter bestimmten einstellbaren Einfallswinkeln auf den zu belichtenden Film gelenkt werden. Heutzutage wird dies dadurch realisiert, daß ein aufgeweiterter Laserstrahl über eine Positivlin- se auf den zu belichtenden Film fällt. Vor der Positivlinse ist eine computergesteuerte LCD-Fläche lateral in dem aufgeweiteten Lichtstrahl angeordnet, mit der durch Steuerung der Transmission der einzelnen Pixel einzelne Strahlen durchgelassen oder ausgeblendet werden können. Im Zusammenspiel mit der Posi- tivlinse entspricht jeder Ort auf der LCD-Fläche einem bestimmten Einfallswinkel. Bei dieser bekannten Anordnung kann jeder Winkel zwischen 0° (Zentralstrahl) und dem halben Öffnungswinkel der Linse (Randstrahl) realisiert werden. Damit das Hologramm einen möglichst großen Informationsgehalt erlangt, sollte der Öffnungswinkel so groß wie möglich sein. Für kommerziell erhältliche Positivlinsen liegen die maximalen Öffnungswinkel bei etwa 80°. Hierzu sei jedoch angemerkt, daß bei größerer Apertur auch die Linsenfehler zunehmen. Zudem wird durch die Brechung des durch die Positivlinse hindurch fallenden Licht- Strahls die Polarisationsebene des einfallenden Lichtes gedreht, und zwar umso stärker, je größer der Einfallswinkel des Strahles an der ersten Linsenfläche ist, also je stärker die Linsenoberfläche an der betreffenden Stelle gekrümmt ist . Eine Polarisationsdrehung ist aber bei der holographischen Aufnahme unerwünscht, da im ungünstigsten Fall eine Polarisationsdrehung von 90° bezüglich des Referenzstrahls, der ebenfalls auf den zu belichtenden Film auftrifft, zu einer Auslöschung führen würde. Insofern lassen sich mit den bekannten optischen Systemen aus dem Stand der Technik die holographischen Filme nach dem genannten Verfahren nur unzureichend belichten.
Aus der Druckschrift JP 63033879 AA ist ein gattungsbildendes optisches System bekannt, bei welchem eine Leuchtdiode im Brennpunkt eines Parabolspiegelstumpfes angeordnet ist, welcher die von der Leuchtdiode seitlich ausgestrahlten Lichtstrahlen parallel in Leuchtrichtung reflektiert. Ferner ist ein konvexes Linsensystem so innerhalb des Parabolspiegelstumpfes angeordnet, daß die von der Leuchtdiode ausgehenden Lichtstrahlen mit kleinerem Öffnungswinkel ebenfalls in parallele Lichtstrahlen umgewandelt werden. Über weitere Anwendungen dieses optischen Systems schweigt die Druckschrift . Insbesondere fehlt bei dem gezeigten System eine Eintrittsöffnung, durch die von außen eintreffendes Licht in den parallelen Lichtstrahl umgewandelt werden kann.
Aus den Druckschriften JP 56119111 AA, JP 61102505 AA, JP 9304772 AA und DE 69309820 T2 sind ähnliche Reflektoren bekannt. All diesen Reflektoren ist jedoch gemein, daß sie keine zweite Öffnung für den Eintritt oder Austritt des in einen Halbraum sich ausbreitenden Lichtstrahl zeigen.
Die Druckschrift DE 199 04 899 AI zeigt einen Intensiv- Oberflächenbeleuchter für Videoprüfanlagen, bei dem das Licht mehrerer ringförmig um ein Objektiv angeordneter Lichtquellen über einen Parabolreflektor seitlich auf ein in den Brennpunkt des Parabolreflektors einführbares Objekt fällt. Durch Auswahl bestimmter Lichtelemente läßt sich somit der Einfallwinkel des Lichtes auf das Objekt steuern. Durch die Anordnung des Objek- tivs im Zentrum der Lichtstrahlen läßt sich das Objekt jedoch nicht mit direktem Auflicht bestrahlen.
Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, ein optisches System zum Abbilden eines parallelen Lichtstrahles in einen in alle Richtungen eines Halbraumes sich ausbreitenden Lichtstrahls und umgekehrt zu schaffen, welches insbesondere nicht die Nachteile der oben diskutierten Positivlinse hat.
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit dem Gegenstand des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Danach ist ein optisches System zum Abbilden eines parallelen Lichtstrahles in einen in alle Richtungen eines Halbraums sich ausbreitenden Lichtstrahl und umgekehrt bereitgestellt, mit einem Reflektor mit einer parabolförmigen reflektierenden Oberfläche, und einer Sammellinse, deren optische Achse und deren Brennpunkt mit der optischen Achse bzw. dem Brennpunkt des Re- flektors zusammenfallen, wobei die Sammellinse und der Reflektor derart ausgestaltet sind, daß die beiden Randstrahlen von Reflektor und Sammellinse jeweils unter im wesentlichen dem gleichen Winkel durch den Brennpunkt des Reflektors gehen, der Reflektor eine erste Öffnung für den Halbraumstrahl umfaßt, de- ren Öffnungsfläche die Schnittfläche einer Ebene durch den Reflektor ist, die senkrecht auf der optischen Achse des Reflektors steht und den Brennpunkt enthält, und der Reflektor eine zweite Öffnung für den Parallelstrahl umfaßt, deren Öffnungsfläche eine Ebene durch den Reflektor ist, die senkrecht auf der optischen Achse des Reflektor steht und den Auftreffpunkt des genannten Reflektor-Randstrahls auf dem Reflektor enthält.
Vorteilhaft lassen sich mit diesem optischen System alle aus dem Halbraum unterhalb der ersten Öffnung in diese Öffnung ein- fallenden Lichtstrahlen in einen aus der zweiten Öffnung austretenden Parallelstrahl umwandeln und umgekehrt. Dies entspricht beispielsweise einem Froschauge mit einer Raumwinkel-
Öffnung von 2% . Nachfolgend werden die Erfindung sowie weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt die einzige Figur eine schematische Querschnittansieht eines optischen Systems gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Das optische System umfaßt einen im wesentlichen massiven Para- bolspiegel 1, dessen parabolfδrmige Außenfläche aus einem Acrylglasblock gedreht ist. Die parabolförmige Außenfläche wird anschließend von außen verspiegelt, so daß der Parabolspiegel 1 eine nach innen reflektierende Außenfläche aufweist. Selbstverständlich kann die parabolförmige Oberfläche auch aus einem Vollstück eines beliebigen Materials von innen ausgefräst oder sonstwie gefertigt werden, wobei in diesem Fall die Innenfläche von Innen verspiegelt wird. Im einfachsten Fall kann der Parabolspiegel 1 auch aus einem Metall mit hoher Reflektivität direkt hergestellt werden, wobei sich in diesem Fall die an- schließende Verspiegelung erübrigt. Allgemein eignet sich für diesen Teil des optischen Systems jedes optische Mittel, das eine parabolförmige Licht reflektierende Schicht aufweist und in der Lage ist, einen parallel einfallenden Strahl unabhängig von dessen lateraler Position genau in einen Brennpunkt A zu fokusieren. So kann die parabolförmige, reflektierende Schicht auch durch ein entsprechendes Gitter, eine entsprechende Beugungsstruktur, etc. realisiert werden.
Der Parabolspiegel 1 weist aufgrund seines Aufbaus eine opti- sehe Achse B auf, die eine Mittelachse des Parabolspiegels 1 ist, um die dieser rotationssymmetrisch herum aufgebaut ist. Auf der optischen Achse B liegt auch der Brennpunkt A des Parabolspiegels 1. Der Parabolspiegel 1 ist nunmehr so an seinem im allgemeinen geschlossenen Ende aufgeschnitten, daß er eine vor- dere erste Öffnung 2 aufweist, deren Öffnungsfläche senkrecht auf der optischen Achse B steht und die den Brennpunkt A enthält. Alle unter irgendeinem Winkel aus dem Halbraum in der Figur von rechts der Öffnung 2 stammenden Lichtstrahlen können nunmehr auf die reflektierende Innenfläche des Parabolspiegels 1 fallen und werden von dort in parallele Lichtstrahlen reflektiert. Falls es nicht erforderlich ist, den kompletten Halbraum der Öffnung 2 in parallele Lichtstrahlen abzubilden, so kann die Öffnung 2 weiter nach innen vom Brennpunkt A beabstandet angeordnet werden (in der Figur somit weiter links angeordnet) .
Eine zweite hintere Öffnung 3 des Parabolspiegels 1 befindet sich auf der offenen Seite des Rotationsparaboloiden des Parabolspiegels 1. Diese Öffnung 3 weist eine Querschnittsfläche auf, die ebenfalls senkrecht auf der optischen Achse B des Parabolspiegel 1 steht. Der Abstand dieser Öffnungsfläche bezüglich des Brennpunkt A des Parabolspiegels 1 bemißt sich dabei nach dem auf den Parabolspiegel 1 auftreffenden Randstrahl C, der gerade so in den Brennpunkt A reflektiert wird, daß er noch nicht durch eine nachfolgend beschriebene Sammellinse 4 fällt.
Diese Sammellinse 4 ist derart innerhalb des Parabolspiegels 1 angeordnet, daß einerseits ihre optische Achse mit der optischen Achse B des Parabolspiegels 1 zusammenfällt und anderer- seits auch ihr Brennpunkt mit dem Brennpunkt A des Parabolspiegels 1 zusammenfällt. Diese Sammellinse 4 fokussiert die unter einem steileren Winkel als der Randstrahl C auf die zweite vordere Öffnung einfallenden Strahlen des Halbraumes ebenfalls in parallele Strahlen und deckt somit den gesamten Winkelbereich vom senkrecht auffallenden Strahl bis zu dem Winkel des Randstrahls C ab. Ihr Durchmesser ist dabei so bemessen, daß der Randstrahl C des Parabolspiegels 1 unter dem gleichen Winkel auf den Brennpunkt A fällt, wie ein entsprechender Randstrahl D der Sammellinse 4.
Insgesamt deckt der Parabolspiegel 1 also einen Winkelbereich der aus dem Halbraum rechts der Öffnung 2 stammenden Lichtstrahlen zwischen 90° (Lichtstrahlen, die direkt auf die Parabelspitze des Parabelstumpfes 1 auftreffen) und einem Randwin- kel ab, der sich aus der Steigung der parabolförmigen, reflektierenden Oberfläche am Parabelrand unmittelbar an der zweiten Öffnung 3 bzw. aus dem Durchmesser der Sammellinse 4 ergibt. Den Winkelbereich zwischen 0° (d.h. senkrecht auf die vordere Öffnung 2 auffallender Lichtstrahl) bis zum Winkel des Randstrahls C deckt die Sammellinse 4 ab.
Oftmals ist es wünschenswert, daß die durch das optische System fallenden Strahlen, d.h. entweder die durch den Parabolspiegel 1 reflektierten Strahlen oder durch die von der Sammellinse 4 gebündelten Strahlen, die gleiche Laufzeit von der zweiten Öffnung 3 bis zur ersten Öffnung 2 bzw. dem Brennpunkt A benötigen. Hierzu kann der im wesentlichen massive Parabolspiegel 1 an seiner zweiten Öffnung 3 eine zylinderförmige Auskragung 5 aufweisen, die koaxial zur optischen Achse B des Parabolspiegels 1 ausgerichtet ist. Der Außendurchmesser dieser zylinder- förmigen Auskragung 5 entspricht dabei dem Außendurchmesser der Sammellinse 4, so daß der Randstrahl D der Sammellinse 4 gerade noch durch die zylinderförmige Auskragung 5 geleitet wird. Selbstverständlich ist die Auskragung 5 transparent, wobei sie vorzugsweise aus dem gleichen Material wie der Parabelstumpf 1 gefertigt ist . Besonders bevorzugt können Auskragung 5 und Parabelstumpf 1 einstückig ausgebildet sein, d.h. daß die Auskra- gung 5 beispielsweise nachträglich aus dem Parabelstumpf 1 ausgedreht wird. Die Höhe dieser Auskragung 5 ist dabei so bemessen, daß das durch die Sammellinse 4 auf den Brennpunkt A fallende Licht die gleiche Zeit benötigt wie das von dem Parabolspiegel 1 in den Brennpunkt A reflektierte Licht. Hierzu ist es erforderlich den BrechungsIndex des massiven Parabolspiegels und der Auskragung 5, die vorzugsweise gleich sind, zu kennen.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Sammellinse 4 derart gefertigt, daß eine Durchgangsbohrung koaxial zur optischen Achse B in den Parabelstumpf 1 gebohrt wird, die sich also von der ersten Öffnung 2 bis zur zweiten Öffnung 3 erstreckt. Der Innendurchmesser dieser Durchgangsbohrung entspricht dem Außendurchmesser der Sammellinse . Von der Öffnungsseite der ersten Öffnung 2 wird nunmehr ein zylinderförmi- ger transparenter Stab in die Bohrung so eingeschoben, daß seine plane Außenseite bündig mit der Stumpffläche des Parabel- stumpfes 1 abschließt. Sein anderes Ende ist zwecks Ausbildung der Sammellinse 4 als konkav gekrümmte Oberfläche ausgestaltet. Von der zweiten Öffnung 3 ist ebenfalls ein zylinderförmiger transparenter Stab in die Bohrung eingeschoben, dessen eines planes Ende an das konkav ausgestaltete Ende des ersten zylin- derförmigen Stabes anstößt und dessen anderes planes Ende um die Höhe der Auskragung 5 aus der zweiten Öffnung 3 herausragt. Die Außendurchmesser beider zylinderförmiger Stäbe entsprechen dabei dem Innendurchmesser der Bohrung. Selbstverständlich kann das konkav ausgestaltete Ende auch an dem zweiten zylinderför- migen Stab vorgesehen sein, an dessen Ende, das sich im Inneren des Parabelstumpfes 1 befindet. In diesem Fall weist der erste zylinderförmige Stab zwei plane Enden auf. Wiederum ragt der zweite Stab soweit aus der zweiten Öffnung 3 heraus, daß die unterschiedlichen Wege zwischen dem Parabolspiegel 1 und der Sammellinse 4 ausgeglichen werden.
Der Parabolspiegel 1 kann insgesamt aus Schutzzwecken vor Zerkratzen der verspiegelten Außenfläche, etc. in einem Zylindermantel aufgenommen sein, dessen Leerräume anschließend ausgefüllt, insbesondere ausgeschäumt werden.
Eine Anwendungsmöglichkeit des beschriebenen optischen Systems liegt in der Belichtung eines holographischen Filmes, der beispielsweise in einem Filmträger aufgenommen werden kann, der vor der ersten Öffnung 2 angeordnet ist. Eine (nicht explizit dargestellte) LCD-Fläche ist an geeigneter Stelle in dem auf den Parabolspiegel 1 über die zweite Öffnung 3 auffallenden parallelen Lichtstrahl angeordnet und kann durch Steuern ihrer einzelnen Pixel bestimmte Lichtstrahlen des parallelen Lichtstrahles ein- oder ausblenden. Ein solches holographisches Belichtungsverfahren wird beispielsweise vorteilhaft bei dem be- kannten DOT-Matrix-Verfahren eingesetzt. Hierbei wird der zu belichtende Hologrammfilm pixelweise belichtet, indem er zum Beispiel mittels des Filmträgers bezüglich des Brennpunktes A des optischen Systems in der Öffnungsfläche der ersten Öffnung 2 verschiebbar ist, so daß nacheinander jedes Pixel des Holo- grammfilms im Brennpunkt A zu liegen kommt. Mit der LCD-Fläche kann nunmehr beispielsweise der für die Belichtung erforderliche Referenzstrahl als Mittelstrahl des parallelen Lichtstrahls entlang der optischen Achse B durchgelassen werden, während die in dem Pixel zu speichernde Information winkelabhängig durch Transparentschalten eines Pixels oder mehrerer zusammenhängender Pixel der LCD-Fläche belichtet wird. Somit können nacheinander die unterschiedlichen Belichtungswinkel von 90° über 0° bis 90°, also insgesamt ein Raumwinkel von 2π, eingestellt wer- den.
An der Stelle des Linsenrandes der Sammellinse 4 tritt ein Ste- tigkeitssprung im Winkelverlauf auf, da beispielsweise von dem Lichtstrahl D, der unter einem bestimmten Winkel auf den Brenn- punkt A fällt, auf den Lichtstrahl C geschaltet werden muß, der im wesentlichen unter dem gleichen Winkel auf den Brennpunkt A fällt. Somit müssen zum Einstellen eines Winkelverlaufes von 0 bis 90° zuerst die um die optische Achse B angeordneten Pixel bis zu dem Lichtstrahl D transparent geschaltet werden, und an- schließend in umgekehrter Richtung von dem Lichtstrahl C zurück bis zum Lichtstrahl D. Dies kann jedoch leicht über eine Steuereinrichtung kompensiert werden, die zum Steuern der LCD- Fläche eingesetzt wird. Diese Steuereinrichtung kann beispielsweise ein Korrekturmodul zum Korrigieren des Stetigkeitssprun- ges aufweisen. Der Vorteil bei diesem Belichtungsverfahren ist auch, daß die Polarisationsdrehung bezogen auf die großen Ablenkwinkel minimal ist, wodurch sich die Anforderungen an die Kohärenzlänge der für die Belichtung eingesetzten Lichtquelle ebenfalls auf ein Minimum beschränken.
Gemäß einer weiteren nicht explizit dargestellten Ausführungsform kann das optische System auch allgemein als Abbildungsoptik mit einem Öffnungswinkel von 2π verwendet werden. Die Anwendungsmöglichkeiten einer solchen Abbildungsoptik sind viel- fältig. Wird beispielsweise ein erstes optisches System mit einem zweiten optischen System derart gekoppelt, daß die beiden ersten Öffnungen einander gegenüberstehen und das gekoppelte Gesamtsystem einen gemeinsamen optischen Brennpunkt A aufweist, so läßt sich mit den beiden auf die zweiten Öffnungen 3 der op- tischen Systeme einfallenden Lichtstrahlen eine Beleuchtung bzw. Bestrahlung eines im Brennpunkt A angeordneten Objektes über den gesamten Raumwinkelbereich einstellen. Dies kann beispielsweise für die Rekonstruktion eines beliebigen Objektes mittels Laserstrahls oder ähnlicher Lichtstrahlen verwendet werden. So sind bereits Verfahren bekannt, ein spezielles Material so zu belichten und weiterzubehandeln, daß anschließend ein dreidimensionales Objekt rekonstruiert werden kann.
Gemäß einer weiteren nicht explizit dargestellten Ausführungsform können zwei solche optischen System derart miteinander gekoppelt werden, daß sich ihre beiden zweiten Öffnungen 3 gegenüberstehen. Zwischen diese beiden Öffnungen 3 kann beispiels- weise eine weitere Vergrößerungs- oder Verkleinerungsoptik angeordnet werden, wobei die beiden Parabolspiegel 1 nicht gleich groß sein müssen, sondern entsprechend der zwischengeschalteten Vergrößerungs- bzw. Verkleinerungsoptik an den jeweiligen von dort stammenden parallelen Lichtstrahl grδßenmäßig angepaßt sind. Dieses zusammengesetzte optische System eignet sich für die dreidimensionale Vergrößerung, beispielsweise in der Mikroskopie, aber auch bei der Himmelsbeobachtung, etc.
Insbesondere auf dem Gebiet der konfokalen Mikroskopie kann durch die Verwendung dieses zusammengesetzten Parabolmoduls das Auflösungsvermögen gegenüber herkömmlichen Objektiven beträchtlich gesteigert werden, da sowohl die laterale als auch die axiale Auflösung in hohem Maße von der Apertur abhängt .
Einen großen Vorteil bietet das optische System auch im Bereich der holographischen Datenspeicherung. So läßt sich nämlich die Informationsdichte gegenüber gewöhnlichen Sammeloptiken beträchtlich steigern, da Strahlen aus dem Winkelbereich des gesamten Halbraums zur Interferenz gebracht werden können.
Gemäß einer weiteren nicht explizit dargestellten Ausführungsform können zwei optische Systeme über ihre zweiten Öffnungen 3 mittels eines Rohres derart miteinander verbunden werden, daß insgesamt ein optisches Instrument entsteht, das eine Rundumab- bildung nach Art eines Froschauges gestattet und diese Rundumabbildung über eine beliebige Distanz überträgt. Anstelle des Rohres kann auch ein biegsamer Lichtwellenleiter zwischengeschaltet werden, wodurch die beiden ersten Öffnungen 2 der beiden optischen Systeme an verschiedene Positionen angeordnet werden können. Ein solches optisches System kann beispielsweise als Türspion, oder in miniaturisierter Form als Endoskop eingesetzt werden. Der Stetigkeitssprung im Winkelverlauf der Lichtstrahlen wird hierbei direkt auf optischem Wege ausgeglichen.

Claims

Patentansprüche :
1. Optisches System zum Abbilden eines parallelen Lichtstrah- les (Parallelstrahl) in einen in alle Richtungen eines Halbraums sich ausbreitenden Lichtstrahl (Halbraumstrahl) und umgekehrt, mit: a) einem Reflektor (1) mit einer parabolförmigen reflektierenden Oberfläche, und b) einer Sammellinse (4) , deren optische Achse und deren einer Brennpunkt mit der optischen Achse B bzw. dem Brennpunkt A des Reflektors (1) zusammenfallen, c) wobei die Sammellinse (4) und der Reflektor (1) derart ausgestaltet sind, daß die beiden Randstrahlen (C,D) von Reflektor (1) und Sammellinse (4) jeweils unter im wesentlichen dem gleichen Winkel durch den Brennpunkt (A) des Reflektors (1) gehen, d) der Reflektor (1) ein erste Öffnung (2) für den Halbraumstrahl umfaßt, deren Öffnungsfläche die Schnitt- fläche einer Ebene durch den Reflektor (1) ist, die senkrecht auf der optischen Achse (B) des Reflektors steht und den Brennpunkt (A) enthält, und e) der Reflektor (1) eine zweite Öffnung (4) für den Parallelstrahl umfaßt, deren Öffnungsfläche eine Ebe- ne durch den Reflektor (1) ist, die senkrecht auf der optischen Achse (B) des Reflektors (1) steht und den
Auftreffpunkt des genannten Reflektor-Randstrahls (C) auf den Reflektor (1) enthält.
2. Optisches System nach Anspruch 1, bei welchem der Reflektor (1) als massiver Parabelstumpf mit verspiegelter Para- bol -Außenfläche ausgestaltet ist.
3. Optisches System nach Anspruch 2, bei welchem der Parabel- stumpf (1) an seiner die zweite Öffnungsfläche bildenden Außenfläche eine zylinderförmige Auskragung (5) aufweist, die koaxial zur optischen Achse (B) des Reflektors (1) angeordnet ist, deren Außendurchmesser dem Außendurchmesser der Sammellinse (4) entspricht und deren Höhe so bemessen ist, daß die beiden Randstrahlen (C,D) von Reflektor (1) und Sammellinse (4) die gleiche Laufzeit zum Brennpunkt (A) des Reflektors (1) haben.
4. Optisches System nach Anspruch 2 oder 3, bei welchem der Parabelstumpf (1) eine Durchgangsbohrung aufweist, die sich von der ersten (2) bis zur zweiten Öffnung (3) erstreckt und koaxial zu seiner optischen Achse (B) angeordnet ist.
5. Optisches System nach Anspruch 4, bei welchem ein erster Vollzylinder in der Bohrung aufgenommen ist, dessen eines Ende bündig mit einer der beiden planen Flächen des Parabelstumpfes (1) abschließt und dessen anderes Ende zwecks Ausbildung der Sammellinse (4) als konkav gekrümmte Oberfläche ausgestaltet ist.
6. Optisches System nach Anspruch 5, bei welchem ein zweiter Vollzylinder in der Bohrung aufgenommen ist, dessen eines Ende an das konkav ausgestaltete Ende des ersten VollZylinders anstößt.
7. Optisches System nach Anspruch 5, bei welchem das andere Ende des zweiten Vollzylinders um die Höhe der Auskragung (5) aus der Durchgangsbohrung herausragt.
8. Optisches System nach einem der Ansprüche 5 bis 7 , bei welchem die Außendurchmesser des ersten und des zweiten Vollzylinders jeweils dem Innendurchmesser der Bohrung entsprechen.
9. Optisches System nach einem der Ansprüche 2 bis 8, bei welchem der Parabelstumpf (1) und/oder die beiden Vollzylinder aus Acryl gefertigt sind.
10. Optisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Reflektor in einem Zylindermantel aufgenommen ist, in dem die Leerräume ausgefüllt, insbesondere ausgeschäumt sind.
11. Optisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem vor der zweiten Öffnung (3) eine LCD-Fläche angeordnet ist .
12. Optisches System nach Anspruch 11, bei welchem eine Steuereinrichtung zum Steuern der LCD-Fläche vorgesehen ist, welche ein Korrekturmodul zum Korrigieren des Stetigkeitssprungs im Winkelverlauf bei den beiden Randstrahlen (C,D) aufweist.
13. Optisches System nach Anspruch 11 oder 12, bei welchem vor der ersten Öffnung (2) ein Filmträger zum Aufnehmen eines zu belichtenden Hologrammfilms angeordnet ist.
14. Optisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches mit einem zweiten optischen System derart gekoppelt ist, daß die beiden ersten Öffnungen (2) zusammenfallen und das gekoppelte Gesamtsystem einen gemeinsamen op- tischen Brennpunkt (A) aufweist, wobei eine Träger zum Aufnehmen eines dreidimensional zu rekonstruierenden Objektes im gemeinsamen Brennpunkt (A) beider optischer Systeme vorgesehen ist.
15. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 10, welches über seine zweite Öffnung (3) mit der zweiten Öffnung (3) eines zweiten optischen Systems gekoppelt ist.
16. Optisches System nach Anspruch 15, bei welchem zwischen die beiden zweiten Öffnungen (3) der beiden optischen Systeme eine Vergrößerungs- oder Verkleinerungsoptik gekoppelt ist.
17. Optisches System nach Anspruch 15, bei welchem zwischen die beiden zweiten Öffnungen (3) der beiden optischen Systeme ein flexibler oder starrer Lichtleiter gekoppelt ist.
18. Optisches System nach Anspruch 17, welches als Endoskop ausgebildet ist.
19. Optisches System nach Anspruch 17, welches als Türspion ausgebildet ist.
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