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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Transformation
eines optischen Strahlungsfelds, das in z-Richtung propagiert und
das in der x- und der y-Richtung ein symmetrisches Strahlparameterprodukt
aufweist, mittels einer Transformationsoptik in ein Strahlungsfeld
mit asymmetrischem Strahlparameterprodukt, wobei die x-, y- und
z-Richtungen ein
rechtwinkliges Koordinatensystem bilden.
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Verschiedene
Anwendungen von Laserstrahlung erfordern eine linienförmige Strahlform bzw.
einen Strahlquerschnitt mit asymmetrischen Strahlparametern. Allerdings
sind die zur Verfügung stehenden
Ausgangsstrahlen üblicherweise
Strahlungsfelder mit symmetrischem Strahlparameterprodukt. Um aus
diesen zur Verfügung
stehenden optischen Strahlungsfeldern ein linienförmiges Strahlungsfeld
zu erhalten, werden entweder Zylinderlinsen eingesetzt oder es werden
Scanner verwendet, die den Strahl zeitlich ablenken und bei hohen
Abtastfrequenzen ein quasi-kontinuierliches, linienförmiges Strahlungsfeld
erzeugen. Solche Zylinderlinsen oder Scanner können als Transformationsoptik bezeichnet
werden. Hierbei sind Zylinderlinsen dahingehend von Nachteil, dass
sie nicht die Strahlqualität
der Fast- und Slow-Axis verändern
und somit bei hohen Aspektverhältnissen
nicht einsetzbar sind. Der Nachteil beim Einsetzen von Scannern
liegt in der zeitlichen Ablenkung, der Segmentierung der Linie und
der mechanischen Empfindlichkeit des Aufbaus.
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Ausgehend
von einer Anordnung, wie sie eingangs angegeben ist, und einem Stand
der Technik in Form der vorstehend beschriebenen Zylinderlinse oder
eines Scanners als Transformationsoptik liegt der vorliegenden Erfindung
die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zu schaffen, mit der ein Strahlungsfeld
mit symmetrischem Strahlparameterprodukt so umgeformt wird, dass
dieses in einen linienförmigen
Fokus mit großem
Abstand vom fokussierenden Element und gleichzeitig sehr kleinen
Abmessungen in einer Richtung bei großen Abmessungen in der dazu
orthogonalen Richtung erzeugt wird, unter Erreichen eines hohen
Wirkungsgrads und eines hohen Aspektverhältnisses, ohne bewegte Teile.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch eine Anordnung zur Transformation eines optischen Strahlungsfelds,
das in z-Richtung propagiert und das in der x- und der y-Richtung
ein symmetrisches Strahlparameterprodukt aufweist, mittels einer
Transformationsoptik in ein Strahlungsfeld mit asymmetrischem Strahlparameterprodukt,
wobei die x-, y- und z-Richtungen
ein rechtwinkliges Koordinatensystem bilden; die Anordnung ist dadurch
gekennzeichnet, dass zunächst
das Strahlungsfeld mit der Transformationsoptik in mindestens zwei
Teilstrahlungsfelder in y-Richtung segmentiert wird, dass die Teilstrahlungsfelder
dann mit der Transformationsoptik in x-Richtung verschoben werden,
und dass diese Teilstrahlungsfelder mit der Transformationsoptik
in y-Richtung so verschoben werden, dass die Schwerpunkte der Teilstrahlungsfelder
auf einer Linie liegen, die senkrecht zu der Linie liegt, auf der
die Schwerpunkte der Teilstrahlungsfelder vor dem Eintritt in die
Transformationsoptik liegen.
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Die
Aufgabe wird auch durch eine Anordnung zur Transformation eines
optischen Strahlungsfelds, das in z-Richtung propagiert und das
in der x- und der y-Richtung ein symmetrisches Strahlparameterprodukt
aufweist, mittels einer Transformationsoptik in ein Strahlungsfeld
mit asymmetrischem Strahlparameterprodukt, wobei die x-, y- und
z-Richtungen ein rechtwinkliges Koordinatensystem bilden; die Anordnung
ist dadurch gekennzeichnet, dass zunächst das Strahlungsfeld mit
der Transformationsoptik in mindestens zwei Teilstrahlungsfelder
in y-Richtung segmentiert wird, und dass diese Teilstrahlungsfelder
mit der Transformationsoptik jeweils um die z-Achse um 90° gedreht
werden und die gedrehten Teilstrahlungsfelder zu einer Linie in
x-Richtung zusammengefügt
werden.
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Mit
einer Anordnung in der zuerst genannten Art wird ein optisches Strahlungsfeld
mit symmetrischen Parameterprodukten in der x- und der y-Richtung
in der Transformation soptik in zumindest zwei Teilstrahlungsfelder
in y-Richtung unterteilt. Diese beiden Teilstrahlungsfelder werden
dann mittels der Transformationsoptik in einer Richtung senkrecht dazu
(y-Richtung)), oder in einer Richtung mit einer wesentlichen Vektorkomponenten
in y-Richtung, versetzt,
um dann diese versetzten Teilstrahlungsfelder in einer weiteren
Stufe in der Richtung, senkrecht zu dem ersten Versatz, d.h. in
x-Richtung, wieder so zu verschieben, dass die Schwerpunkte der
Leistungsdichteverteilungen der Teilstrahlungsfelder auf einer Linie
liegen. Das umzuformende Strahlungsfeld mit symmetrischem Strahlparameterprodukt
kann beispielsweise ein rotationssymmetrisches Feld nach einem Laserresonator
mit zylindrischem Laserstab sein oder ein Strahlungsfeld am Austritt
einer Faser; gerade die Umformung einer aus einer Faser austretenden
Strahlung hat den Vorteil, dass die Strahlung über den Querschnitt der Faser
am Austrittsende verteilt homogenisiert ist. Somit wird mit der
angegebenen Anordnung erreicht, dass beispielsweise die aus einer
Glasfaser austretende Strahlung in einen linienförmigen Fokus mit großem Abstand
vom fokussierenden Optikelement und gleichzeitig sehr kleinen Abmessungen
in einer Richtung bei großen
Abmessungen in der dazu orthogonalen Richtung erzeugt wird. Eine
solche Abbildung wird darüber
hinaus mit einem hohem Wirkungsgrad erreicht.
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Mit
der zweiten Anordnung, die die Aufgabe löst, liegt ein wesentliches
Merkmal darin, die jeweiligen Teilstrahlungsfelder mit der Transformationsoptik um
die z-Achse um 90° zu
drehen. Dann können
in einem weiteren Schritt in der Transformationsoptik die gedrehten
Teilstrahlungsfelder zu einer Linie in x-Richtung zusammengeführt werden.
Es ist ersichtlich, dass die Abmessungen der Linie, zusammengesetzt
aus den Teilstrahlungsfeldern, durch die Wahl der Segmentierung
beeinflusst werden können;
falls linienförmige
Strahlungsquerschnitte ausgangsseitig der Transformationsoptik mit
einem sehr großen,
unterschiedlichen Seitenverhältnis
erreicht werden sollen, wird das eingangsseitige Strahlungsfeld
in eine große
Anzahl von Teilstrahlungsfeldern in y-Richtung segmentiert.
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Für die Transformation
der Ausgangsstrahlung wird bevorzugt eingangsseitig der Transformationsoptik
eine Zylinderoptik angeordnet. Eine solche Zylinderoptik formt zunächst das
Strahlungsfeld mit symmetrischem Strahlparameterprodukt in ein elliptisches
Strahlungsfeld um, wobei, unter Berücksichtigung des vorstehend
angegebenen Koordinatensystems, die große Achse der Ellipse in der
y-Richtung liegt.
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Um
ein gleichmäßiges, linienförmiges Strahlungsfeld
ausgangsseitig der Transformationsoptik zu erhalten, d.h. mit einer
gleichmäßigen Intensitätsverteilung über das
linienförmige
Strahlungsfeld verteilt, ist es von Vorteil, dass die einzelnen,
segmentierten Teilstrahlungsfelder annähernd gleiche Leistungen haben.
Dies wird dadurch erreicht, dass die Segmente, d.h. die Teilstrahlungsquerschnittsflächen, in
einer unterschiedlichen Größe, die
Leistung anpassend, ausgewählt
werden.
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Um
die Leistung des Strahlungsfelds gleich über die Teilstrahlungsfelder
zu verteilen, wird in einer bevorzugten Ausgestaltung, in Verbindung
mit einer Zylinderoptik, der Querschnitt der Teilstrahlungsfelder
in die Ebene der Transformationsoptik abgebildet.
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Mit
dem Einsatz einer Zylinderlinse eingangsseitig der Transformationsoptik
kann die Anpassung der Teilstrahlungsfelder so, dass sie annähernd gleiche
Leistungen haben, dadurch erreicht werden, dass der Zylinderlinse
ein sich ändernder Krümmungsradius
gegeben wird.
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Bevorzugt
weist die Transformationsoptik mehrere reflektive Elemente auf;
diese reflektiven Elemente werden dazu eingesetzt, die Zerlegung
der Teilstrahlungsfelder vorzunehmen. Die reflektiven Elemente können durch
Spiegelflächen
gebildet werden.
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Die
reflektiven Elemente können
auch durch totalreflektierende Flächen eines strahlungstransparenten
Elements gebildet werden. Reflektive Elemente in Form von Spiegelflächen sind
dann zu bevorzugen, wenn der Akzeptanzwinkel totalreflektierender Flächen überschritten
würde.
Dagegen sind reflektive Elemente in Form der totalreflektierenden
Flächen eines
strahlungstransparenten Elements dann einzusetzen, wenn dies aus
fertigungstechnischer Sicht von Vorteil sein könnte.
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Weiterhin
sollte dann, wenn die Teilstrahlungsfelder in ihrer Leistung durch
einen sich ändernden
Krümmungsradius
einer Zylinderlinse angepasst werden, das optische Strahlungsfeld
in der x- und der y-Richtung denselben Divergenzwinkel aufweisen.
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In
Verbindung mit einer Anordnung, bei der die Transformationsoptik
die Teilstrahlungsfelder dreht, wird in der Transformationsoptik
jedem Teilstrahlungsfeld ein Dove-Prisma zugeordnet. Ein solches
Dove-Prisma weist eine Grundfläche
auf sowie zwei schräg
zur Grundfläche
verlaufende Prismenflächen
auf, und ist so dimensioniert und ausgerichtet, dass die eine Prismenfläche eine
Eintrittsfläche
für das
entsprechende Teilstrahlungsfeld bildet und so zu der Propagationsrichtung
(z-Richtung) des Teilstrahlungsfelds unter einem Winkel ausgerichtet
ist, dass die Strahlung zur Grundfläche hin gebrochen wird; an
der Grundfläche
wird die Strahlung dann reflektiert und zu der zweiten Prismenfläche hin
gerichtet, wo sie dann, um 90° zur
z-Achse gedreht, in z-Richtung austritt (unter entsprechender Orientierung
der zweiten Prismenfläche).
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Weitere
Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt
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1 zwei Ansichten, bezeichnet
mit A und B, eines sich in z-Richtung ausbreitenden Strahlungsfelds,
das aus dem Ende einer Lichtleitfaser austritt, zum einen in der
x-z-Ebene (Darstellung A) und zum anderen in seinem Querschnitt
in der y-z-Ebene (Darstellung B),
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2 eine der 1 zugeordnete Darstellung der jeweiligen
x-y-Ebenen, um den jeweiligen Strahlquerschnitt sowie den dazugehörigen Divergenzwinkel
in x-Richtung (θx ) sowie in y-Richtung (θy) an der entsprechenden Stelle in z-Richtung anzugeben,
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3 eine schematische Darstellung
eines sich in z-Richtung ausbreitenden Strahlungsfelds, mit einer
Ansicht der x-z-Ebene, das durch eine Zylinderoptik fokussiert wird
und einer Transformationsoptik zugeführt wird,
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4 die Anordnung der 3, allerdings in einer Ansicht
der y-z-Ebene des eingangsseitigen Strahlungsfelds und der x-z-Ebene
des Strahlungsfelds ausgangsseitig der Transformationsoptik,
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5 eine dreidimensionale
Darstellung der Anordnung, wie sie auch in den 3 und 4 gezeigt ist,
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6 schematisch die Zerlegung
eines eingangsseitigen Strahlungsfelds mit elliptischem Strahlquerschnitt
(Darstellung A), wobei dann die Teilstrahlungsfelder in x-Richtung
verschoben werden (Darstellung B), die dann wiederum, in einem weiteren
Schritt, in y-Richtung verschoben werden (Darstellung C),
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7 schematisch eine Transformationsoptik
mit vier Dove-Prismen zur Drehung der jeweiligen Teilstrahlungsfelder
um 90° um
die z-Achse,
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8 schematisch ein Strahlungsfeld,
das in y-Richtung in acht Teilstrahlungsfelder segmentiert ist (Darstellung
A), sowie das entsprechende Strahlungsfeld nach der Transformationsoptik,
um die z-Achse um 90° gedreht
und zu einem linienförmigen Strahlungsfeld
zusammengefügt
(Darstellung B), und
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9 eine Darstellung entsprechend
den 1 und 2, allerdings mit einer Transformationsoptik 4', wie sie in 7 in der konkreten Ausführungsform
gezeigt ist.
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In 1 ist schematisch eine Anordnung
zur Transformation eines optischen Strahlungsfelds, allgemein mit
dem Bezugszeichen 1 bezeichnet, dargestellt. Hierbei zeigen
die Darstellungen A und B zum einen die x-z-Ebene und zum anderen
die dazu senkrecht stehende y-z-Ebene.
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Es
ist darauf hinzuweisen, dass in allen Figuren die z-Richtung jeweils
die Ausbreitungsrichtung des Strahlungsfelds 1 ist, auch
wenn dieses im Raum seine Richtung ändert, d.h. die z-Richtung
wird jeweils mit der Ausbreitungsrichtung des Strahlungsfelds 1 mitgeführt.
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Weiterhin
sind jeweilige Ebenen in den x-y-Richtungen mit entsprechenden Linien
in 1 bezeichnet; diesen
Ebenen in der x-y-Richtung sind in 2 die
jeweiligen Strahlquerschnitte zugeordnet sowie die Divergenzwinkel
der Strahlung in x- und y-Richtung, bezeichnet mit θx und θy, angegeben.
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In
der Anordnung der 1 wird
das Strahlungsfeld ausgangsseitig einer Lichtleitfaser 11 bereitgestellt.
An dem Austrittsende der Lichtleitfaser 11 sind der Divergenzwinkel
in x-Richtung, θx, und der Divergenzwinkel in der y-Richtung, θy, gleich, wie der 2 zu entnehmen ist. Das divergierende
Strahlungsfeld 1 tritt dann in eine Kollimationsoptik,
vorzugsweise eine sphärische
Linse 2, ein, wobei an der Linse 2 weiterhin θx = θy gilt. Das parallel ausgerichtete Strahlungsfeld
wird dann in eine Zylinderoptik 3 geführt, wobei das aus der Zylinderoptik 3 austretende
Strahlungsfeld 1 dann in der x-Richtung einen größeren Divergenzwinkel
besitzt als in y-Richtung, so dass gilt: θx > θy.
Die Zylinderlinse 3 ist, wie anhand der 1 zu sehen ist, mit deren Zylinderachse
in y-Richtung ausgerichtet. Das Strahlungsfeld 1, das nach
der Zylinderoptik 3 in x-Richtung fokussiert wird, während es
sich in y-Richtung als paralleles Strahlungsfeld ausbreitet, tritt
dann in eine Transformationsoptik 4 ein, wobei hinsichtlich
der Divergenzwinkel eingangsseitig der Transformationsoptik θx > θy gilt. Mittels der Transformationsoptik 4 wird
das Strahlungsfeld 1 in eine vorgegebene Anzahl von Teilstrahlungsfeldern
in y-Richtung segmentiert; diese Teilstrahlungsfelder werden dann
mittels der Transformationsoptik 4 in x-Richtung verschoben und
anschließend
nochmals in y-Richtung so verschoben, dass die Schwerpunkte der
Teilstrahlungsfelder auf einer Linie liegen. Ausgangsseitig der Transformationsoptik 4 ist
dann der Divergenzwinkel in x-Richtung, θx,
größer als
der Divergenzwinkel in y-Richtung, θy,
wogegen eingangsseitig der Transformationsoptik 4 für die Divergenzwinkel
gilt: θx > θy.
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Während die
Strahlqualität
des Strahlungsfelds 1, wie es aus der Austrittsfläche des
Lichtleiters 2 austritt, in x- und y-Richtung gleich ist,
ist ausgangsseitig der Transformationsoptik 4 die Strahlqualität in x-Richtung
sehr viel besser als in y-Richtung.
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In
Abhängigkeit
davon, in welche Anzahl Teilstrahlungsfelder das Strahlungsfeld 1 in
der Transformationsoptik 4 zerlegt wird, können linienförmige Strahlungsfelder
ausgangsseitig der Transformationsoptik 4 erzeugt werden,
die, unter Heranziehung des in den Zeichnungen dargestellten Koordinatensystems,
in x-Richtung eine Breite von 70 μm
haben, während
die Länge
in y-Richtung beispielsweise 14 mm betragen kann, d.h. die Dimensionen
des Strahlungsfelds in x- und y-Richtung sind um einen Faktor von
etwa 200 unterschiedlich.
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Die 3, 4 und 5 zeigen
eine Anordnung, vergleichbar mit derjenigen, die in 1 schematisch dargestellt ist, in einer
detaillierteren Darstellung der Transformationsoptik 4.
Allerdings ist in den 3 bis 5 das Strahlungsfeld 1 unmittelbar
in die Zylinderoptik 3 eintretend dargestellt. Dieses Strahlungsfeld 1 wird
an einer ersten Reflexionsoptik 5, aufgebaut aus reflektierenden
Spiegelflächen,
in Teilstrahlungsfelder segmentiert, wobei etwa 40 Teilstrahlungsfelder
dargestellt sind. Nach dieser Segmentierung in y-Richtung werden
die Teilstrahlungsfelder jeweils in x-Richtung durch entsprechende Ausrichtung
der Spiegelflächen
verschoben. Diese in x-Richtung verschobenen Teilstrahlungsfelder
werden dann zu einer zweiten Reflexionsoptik 6, die Teil der
Transformationsoptik 4 ist, geführt, die dann, mittels einzelner,
jedem Teilstrahlungsfeld zugeordneten Spiegelflächen bewirkt, dass die Teilstrahlungsfelder wieder
in y-Richtung so verschoben werden, dass sie ausgangsseitig der
Transformationsoptik auf einer Linie liegen. Die Querschnitte des
Strahlungsfelds jeweils eingangsseitig und ausgangsseitig der Transformationsoptik
können
anhand der perspektivischen Darstellung in 5 gesehen werden.
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In 6 nun ist nochmals die Wirkungsweise
der Transformationsoptik 4 schematisch dargestellt. Die
Darstellung A zeigt ein elliptisches Strahlungsfeld, wie es in die
Transformationsoptik 4 eintritt. Dieses Strahlungsfeld
A wird in der Transformationsoptik 4 in y-Richtung segmentiert,
wobei in der Darstellung A beispielhaft sechs Teilstrahlungsfelder gezeigt
sind. Die Segmentierung erfolgt in Richtung der großen Achse
der Ellipse. Auch ist anhand der Darstellung A zu erkennen, dass
die jeweiligen Querschnittsflächen
der Teilstrahlungsfelder so gewählt sind,
dass sie eine annähernd
gleiche Fläche
haben, d.h. die Leistung der Teilstrahlungsfelder ist aneinander
durch die Querschnittsgröße angepasst.
Wie die Darstellung B der 6 zeigt,
werden diese Teilstrahlungsfelder dann in x-Richtung verschoben, so dass sie stufenförmig zueinander
versetzt sind, allerdings in x-Richtung
im Wesentlichen unmittelbar aneinander anschließen. In einer dritten Stufe,
durch die Darstellung C angedeutet, werden diese Teilstrahlungsfelder
dann wieder in y-Richtung
so zusammengeführt,
dass sie, d.h. die Schwerpunkte der Strahlquerschnitte, auf einer
Linie liegen.
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Die 7 und 9 zeigen nun eine alternative Anordnung
zur Transformation eines optischen Strahlungsfelds, das in z-Richtung
propagiert und das in der x- und der y-Richtung ein symmetrisches Strahlparameterprodukt
aufweist.
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Soweit
in der 9 Bauelemente
gezeigt sind, die mit denjenigen der 1 identisch
oder vergleichbar sind, sind die entsprechenden Bezugszeichen wie
in 1 verwendet; eine
Beschreibung dieser Bauelemente wird nicht vorgenommen, so dass auf
die entsprechenden Ausführungen
zu 1 vorstehend verwiesen
wird. Gleiches gilt für
die Darstellung der Divergenzwinkel in der unteren Hälfte der 9 sowie der jeweiligen Strahlquerschnitte
an den entsprechenden Ebenen; die Verhältnisse der Divergenzwinkel
in x-Richtung (θx) und (θy) ergeben sich unmittelbar aus 9.
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In
der Anordnung der 9 ist
eine Transformationsoptik 4' vorgesehen,
die detaillierter in 7 gezeigt
ist. Diese Transformationsoptik 4' weist drei Dove-Prismen 7 auf,
wobei jeweils eines dieser Prismen einem Teilstrahlungsfeld zugeordnet
ist. Jedes Dove-Prisma 7 weist eine Grundfläche 8 sowie
eine erste Prismenfläche 9 und
eine zweite Prismenfläche 10 auf.
Das jeweilige Teilstrahlungsfeld tritt in die erste Prismenfläche 9,
eine Eintrittsfläche
bildend, ein, wird zur Grundfläche 8 hin
gebrochen und von dort zu der zweiten Prismenfläche 10, eine Austrittsfläche bildend,
reflektiert. Die erste Prismenfläche 9 und
die zweite Prismenfläche 10 sind
in ihrem Winkel zur Grundfläche 8 bzw.
zur Ausbreitungsrichtung des Teilstrahlungsfelds so ausgelegt, unter
Einbeziehung der Grundfläche 8,
dass das Teilstrahlungsfeld aus der zweiten Prismenfläche 10 mit
einer Propagationsrichtung, die der z-Richtung entspricht, austritt, und
zwar unter 90° zur
z-Achse, verglichen mit der Orientierung des eingangsseitigen Teilstrahlungsfelds,
gedreht. In 7 sind insgesamt
drei Teilstrahlungsfelder mit drei Dove-Prismen 7 gezeigt,
um das Prinzip dieser Anordnung zu verdeutlichen. Allerdings ist
ersichtlich, dass die Transformationsoptik 4' beliebig erweitert werden kann,
indem ein Strahlungsfeld in eine entsprechende Anzahl von Teilstrahlungsfeldern
segmentiert wird und jedem Teilstrahlungsfeld in der Transformationsoptik 4' jeweils ein
Prisma 7 zugeordnet wird.
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In 8 ist in der Darstellung
A ein Strahlungsfeld mit elliptischem Strahlquerschnitt gezeigt, das
mit seiner großen
Ellipsenachse in y-Richtung ausgerichtet ist. Dieses Strahlungsfeld
ist in y-Richtung in acht Teilstrahlungsfelder segmentiert, die dann
mit einer Transformationsoptik 4', wie sie in 7 gezeigt ist, jeweils um die z-Achse
gedreht werden, so dass das Strahlungsfeld entsprechend der Darstellung
B erhalten wird. Es ist ersichtlich, dass die einzelnen, gedrehten
Teilstrahlungsfelder in y-Richtung durch geeignete, optische Maßnahmen zusammengeführt werden
können,
um ein zusammenhängendes
Strahlungsfeld zu erhalten.
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Mit
den Anordnungen, wie sie vorstehend beschrieben sind, wird über eine
kompakte Optik eine Linie mit einem großen Aspektverhältnis ohne bewegte
Bauteile generiert werden können.
Es kann also eine Leistungsdichteverteilung erzeugt werden, mit
im Wesentlichen gleichen Divergenzwinkeln und unterschiedlichen
Strahlradii für
zwei orthogonal zueinander orientierten Richtungen, die durch die
Richtungen mit der maximalen und minimalen Ausdehnung dieser Leistungsdichteverteilung
definiert sind.