WO2004107016A2 - Vorrichtung zur transformation eines lichtstrahls - Google Patents

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WO2004107016A2
WO2004107016A2 PCT/EP2004/005663 EP2004005663W WO2004107016A2 WO 2004107016 A2 WO2004107016 A2 WO 2004107016A2 EP 2004005663 W EP2004005663 W EP 2004005663W WO 2004107016 A2 WO2004107016 A2 WO 2004107016A2
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light beam
transformation means
transformed
cylinder
lens
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Inventor
Aleksei Mikhailov
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Hentze-Lissotschenko Patentverwaltungs Gmbh & Co. Kg
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
    • G02B27/0938—Using specific optical elements
    • G02B27/095—Refractive optical elements
    • G02B27/0955—Lenses
    • G02B27/0966—Cylindrical lenses
    • G—PHYSICS
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
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    • G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
    • G02B27/0905—Dividing and/or superposing multiple light beams

Definitions

  • the present invention relates to a device for transforming a light beam into a transformed light beam, which has a different distribution than the light beam to be transformed, comprising a transformation means for transforming the light beam.
  • a device of the aforementioned type is known from German patent DE 100 44 522 C2.
  • the device described therein is capable of converting a light beam with a Gaussian distribution into a transformed light beam with a Bessel distribution.
  • either a ring lens or an axicon with a lens arranged behind it in the beam direction is used as the transformation means.
  • Both embodiments of the transformation means make it possible to achieve a ring-shaped intensity distribution in a plane perpendicular to the direction of propagation behind the transformation means.
  • a distribution of the electric field of the light beam arises at a distance from this annular intensity distribution, which corresponds to a Bessel function of the first type of zero order.
  • a light beam with such a distribution is also called a Bessel beam or Bessel bundle.
  • Such a Bessel beam spreads stably over a comparatively long distance with an essentially diffraction-limited divergence and thus differs significantly from a beam with a Gaussian distribution, because a Gaussian beam, for example, diverges very strongly behind a focal point.
  • a ring lens as a ring-shaped toroidal lens is comparatively complicated and can only be manufactured with great effort.
  • An Axicon must also be combined with a lens, for example to enable the conversion of a Gaussian beam into a Bessel beam.
  • the problem on which the present invention is based is the creation of a device of the type mentioned at the outset, which is of simpler construction.
  • the transformation means has, at least in sections, a cylindrical or cylinder-like shape with an at least partially reflective outside of the lateral surface. Such a means of transformation can be determined comparatively easily.
  • the transformation means can be designed as a cylinder.
  • a cylinder can be manufactured comparatively precisely with simple means.
  • the transformation means is made of a reflective material, in particular of gold.
  • Gold has a high reflectivity, especially in the infrared spectral range.
  • the transformation means has an outer reflective coating.
  • a reflective coating can also be used to provide cylinders made of other materials, such as glass cylinders, with the appropriate reflectivity.
  • the transformation means is arranged in the device such that the cylinder axis of the at least sectionally cylindrical or cylinder-like shape of the transformation means is essentially parallel, in particular coaxial, to the central direction of propagation of the light beam to be transformed and / or the transformed light beam ,
  • the device is designed in such a way that a light beam emanating from an essentially punctiform area can be transformed into a light beam which corresponds to a light beam emanating from a ring.
  • the device can also be designed such that a light beam emanating from an annular region can be transformed into a light beam that corresponds to a light beam emanating from a point.
  • the device can thus advantageously be designed such that a light beam with a Gaussian distribution or a Gaussian-like distribution can be converted into a light beam with a Bessel distribution or a Bessel-like distribution.
  • a light beam corresponding to a light beam emanating from a ring can lead to a Bessel distribution if it is suitably superimposed on itself.
  • the device comprises at least one lens means which is arranged in front of and / or behind the transformation means in the direction of propagation of the light beam to be transformed.
  • a lens means arranged behind the transformation means can overlay or focus a light beam emanating from a ring in such a way that a Bessel beam is produced.
  • the optical axis of the at least one lens means is preferably parallel, in particular coaxial, to the cylinder axis of the at least partially cylindrical or cylinder-like shape of the transformation means.
  • the device can comprise two lens means, which are arranged in front of and behind the transformation means in the direction of propagation of the light beam to be transformed and / or the transformed light beam.
  • the at least one lens means can be designed as a spherical lens, in particular as a converging lens, for example as a spherical biconvex lens. If a Gaussian beam strikes such a spherical converging lens, the optical axis of which is aligned coaxially with the cylinder axis of the at least sectionally cylindrical or cylinder-like shape of the transformation means, it is deflected onto the cylindrical surface of the transformation means with a corresponding focal length of the spherical lens after reflection on the reflecting surface of the transformation means, an annular focus area of the transformed light beam is created.
  • the light emanating from this ring-shaped focus area can be deflected towards the optical axis by the second spherical lens, which is also designed, for example, as a converging lens, in such a way that a Bessel distribution arises in the overlapping area of the portions of the light emanating from different sections of the ring.
  • the two lens means are at a distance from one another which corresponds approximately to the sum of their focal lengths.
  • the device has a reflection means, at least in sections as a hollow cylinder, with an inner one reflecting surface from which the light beam reflected by the outer surface of the transformation means can be reflected inwards.
  • the cylinder axis of the hollow cylinder is preferably coaxial with the cylinder axis of the at least sectionally cylindrical or cylinder-like shape of the transformation means.
  • the hollow cylinder can surround the lateral surface of the transformation means at least in sections, so that the light beam to be transformed, which is reflected from the lateral surface, can in turn be reflected inwards in the direction of the optical axis of the device from the reflecting inside of the hollow cylinder, where the individual partial beams of the transformed light beam overlap in such a way that, for example, a Bessel distribution is created.
  • the reflection means which is designed as a hollow cylinder at least in sections, can thus replace the second lens means, as a result of which imaging errors can be largely avoided or reduced compared to the embodiment of the device with lens means.
  • the device is designed in such a way that the transformed light beam has a distribution spaced apart from the transformation means, which at least partially corresponds to a superposition of at least two different Bessel distributions or Bessel-like distributions.
  • a superimposition of two or more Bessel distributions can be achieved, in particular, in that the light beam to be transformed originates from a light source which has a somewhat larger extension in the radial direction in a plane perpendicular to its direction of propagation. In this way it can be achieved that after reflection on the transformation means, the focus ring of the transformed light beam is also somewhat more extended in the radial direction.
  • Fig. 1 is a schematic side view of a device according to the invention.
  • FIG. 2 shows a detailed view of the transformation means of the device according to FIG. 1;
  • FIG. 3 shows schematically the distribution of a first light beam in different planes during the passage through the device according to FIG. 1;
  • FIG. 4 shows a view corresponding to FIG. 3 on distributions of a second light beam
  • Fig. 5 is a schematic side view of another
  • FIG. 6 shows a detailed view corresponding to FIG. 2 of a further embodiment of a device according to the invention.
  • a device essentially comprises a transformation means 1, which in the exemplary embodiment shown is designed as a cylinder.
  • a transformation means instead of a cylinder, which has a cylindrical shape or a cylinder-like shape only in sections.
  • the transformation means which is designed as a cylinder, has a reflective outside of its outer surface.
  • the cylinder can be made of gold, for example, so that the outer surface already reflects due to the choice of the material of the cylinder. But it is also possible to use a cylinder made of another material, which is provided with a reflective layer on its outer surface.
  • lens means 3, 4 are shown in the direction of the cylinder axis, which also serves as optical axis 2 in the illustrated exemplary embodiment, which are in particular designed as biconvex spherical lenses.
  • a device according to the invention does not necessarily have to include the lens means 3, 4. Rather, the essential and only necessary element of a device according to the invention is the transformation means 1.
  • FIG. 2 It can be seen from FIG. 2 that a light beam 5 striking the transformation means 1 from the left in FIG. 2 strikes the outer surface 6 of the transformation means 1 from the outside and is reflected into a transformed light beam 7.
  • the course of the light beam to be transformed is shown in dashed lines inside the transformation means 1 in the event that it would not be reflected by the outer surface 6.
  • all partial beams of the light beam 5 would meet at a point in a plane B perpendicular to the optical axis 2. Because of the reflection on the lateral surface 6, the partial beams of the transformed light beam 7 are focused in plane B into an annular distribution around the optical axis.
  • the transformation means 1 there is thus the possibility of a light beam 5, which for example originates from a point-shaped light source or can be focused on a point, into one transformed light beam 7 which, for example, forms an annular light source in plane B. Due to the reversibility of the optical path, there is of course also the possibility of transforming a light beam 7, which forms an annular light source in plane B, into a light beam 5, which, for example, from a point light source, namely that in plane B in FIG. 1 virtually drawn point light source.
  • the device shown in FIG. 1 can have, for example, a substantially point-shaped light source in plane A, which is also perpendicular to optical axis 2.
  • the light beam 5 emanating from this light source can be deflected by the lens means 3 onto the transformation means 1 such that the light beam 5 would be focused on a point in the plane B if the transformation means 1 were not present.
  • the light beam 7 reflected by the outer surface 6 of the transformation means 1 can be deflected by the second lens means 4 in such a way that different partial beams of the light beam 7 are superimposed essentially in the area of a plane C, which is also oriented perpendicular to the optical axis.
  • the second lens means 4 is arranged such that the plane B, within which the focus ring of the transformed light beam 7 lies, is spaced from the second lens means 4 at a distance of the focal length F4. In this way, a Bessel distribution of the transformed light beam 7 results in the plane C or in a region in front of and behind it. The region of the Bessel distribution in the region of the plane C is shown hatched in FIG. 1.
  • the left image in FIG. 3 shows the distribution of the light beam 5 in the area of the essentially point-shaped light source or in the area of a focal point arranged in plane A.
  • the light beam 5 has a Gaussian distribution.
  • the focus ring of the light beam 7 is located in the plane B, the edge likewise essentially having a Gaussian distribution in the direction of the coordinate r.
  • plane C the light emanating from the focus ring of plane B is superimposed in such a way that a Bessel distribution, in particular a distribution which corresponds to a Bessel function of the first genus of the zero order, is achieved.
  • FIG. 5 shows another embodiment of a device according to the invention, in which the same parts are provided with the same reference numerals.
  • the lens means 3, 4 are in particular arranged in such a way that the plane B is spaced apart not only by the size of the focal length F4 of the second lens means 4, but also by the size of the focal length F3 of the first lens means 3.
  • a collimated light beam incident from the left in FIG. 5 is focused by the first lens means 3 onto a virtual point in the plane B.
  • the device shown in FIG. 5 thus offers the Possibility of transforming a collimated light beam 5, for example with a Gaussian profile, into a light beam 7 which has a Bessel distribution, in particular in the area of plane C.
  • a light beam 5 emanates from the left in FIG. 6 and is deflected, for example, by a lens means (not shown), which can in particular correspond to the lens means 3, onto the outer reflective outer surface 6 of the transformation means 1.
  • the light beam 5 is deflected onto the lateral surface 6 in such a way that it would be focused in plane B into a point arranged on the optical axis 2 if the transformation means 1 were not present.
  • the light beam 7 reflected by the lateral surface is thus focused in plane B into a ring coaxial with the optical axis 2.
  • the device according to FIG. 6 comprises a hollow cylinder with an inner reflecting surface 8, which is indicated schematically in FIG. 6.
  • the reflective surface 8 can be formed, for example, by the hollow cylinder as such being made from a reflective material such as gold.
  • the hollow cylinder or the inner reflecting surface 8 of the hollow cylinder is arranged coaxially to the optical axis 2 or to the cylinder axis of the transformation means 1.
  • the hollow cylinder is arranged in such a way that that of the lateral surface 6 reflected light beam 7 is reflected by the inner reflecting surface 8 as a light beam 9 in the direction of the optical axis 2.
  • the individual partial beams of this light beam 9 are superimposed on one another in such a way that a Bessel distribution again arises. This is not shown in Fig. 6.
  • FIG. 6 a virtual focus ring lying outside the hollow cylinder is drawn in plane B, from which the light beam 9 could emanate if there were no hollow cylinder.
  • the hollow cylinder with its inner reflecting surface 8 thus replaces the second lens means 4, which serves to overlap the reflected light beam 7 with itself in the region of the optical axis 2.

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Abstract

Vorrichtung zur Transformation eines Lichtstrahls (5) in einen transformierten Lichtstrahl (7), der eine andere Verteilung als der zu transformierende Lichtstrahl (5) aufweist, umfassend ein Transformationsmittel (1) für die Transformation des Lichtstrahls (5), wobei das Transformationsmittel (1) zumindest abschnittsweise eine zylindrische oder zylinderähnliche Form mit einer zumindest teilweise reflektierenden Außenseite der Mantelfläche (6) aufweist.

Description

"Vorrichtung zur Transformation eines Lichtstrahls"
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Transformation eines Lichtstrahls in einen transformierten Lichtstrahl, der eine andere Verteilung als der zu transformierende Lichtstrahl aufweist, umfassend ein Transformationsmittel für die Transformation des Lichtstrahls.
Eine Vorrichtung der vorgenannten Art ist aus der deutschen Patentschrift DE 100 44 522 C2 bekannt. Die darin beschriebene Vorrichtung ist in der Lage, einen Lichtstrahl mit einer Gauss- Verteilung in einen transformierten Lichtstrahl mit einer Bessel- Verteilung zu überführen. Bei der in dem vorgenanten Stand der Technik beschriebenen Vorrichtung werden als Transformationsmittel entweder eine Ringlinse oder ein Axicon mit einer in Strahlrichtung dahinter angeordneten Linse verwendet. Durch beide Ausführungsformen der Transformationsmittel lässt sich in einer zur Ausbreitungsrichtung senkrechten Ebene hinter den Transformationsmitteln eine ringförmige Intensitätsverteilung erzielen. In Strahlrichtung hinter dieser ringförmigen Intensitätsverteilung entsteht beabstandet zu dieser ringförmigen Intensitätsverteilung eine Verteilung des elektrischen Feldes des Lichtstrahls, die einer Bessel- Funktion der ersten Gattung nullter Ordnung entspricht. Ein Lichtstrahl mit einer derartigen Verteilung wird auch Bessel-Strahl oder Bessel-Bündel genannt. Ein derartiger Bessel-Strahl breitet sich über eine vergleichsweise lange Strecke stabil mit einer im wesentlichen beugungsbegrenzten Divergenz aus und unterscheidet sich somit deutlich von einem Strahl mit einer Gauss-Verteilung, weil ein Gauss-Strahl beispielsweise hinter einem Fokuspunkt sehr stark auseinanderläuft.
BESJÄTIGUNGSKÖP1E Eine Ringlinse als ringförmige toroidale Linse ist vergleichsweise kompliziert aufgebaut und lässt sich nur aufwendig exakt herstellen. Ein Axicon muss zusätzlich noch mit einer Linse kombiniert werden, um beispielsweise die Überführung eines Gauss-Strahls in einen Bessel-Strahl zu ermöglichen.
Das der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Problem ist die Schaffung einer Vorrichtung der eingangs genannten Art, die einfacher aufgebaut ist.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass das Transformationsmittel zumindest abschnittsweise eine zylindrische oder zylinderähnliche Form mit einer zumindest teilweise reflektierenden Außenseite der Mantelfläche aufweist. Ein derartiges Transformationsmittel lässt sich vergleichsweise einfach feststellen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Transformationsmittel als Zylinder ausgebildet sein. Ein derartiger Zylinder kann mit einfachen Mitteln vergleichsweise exakt gefertigt werden.
Insbesondere besteht die Möglichkeit, dass das Transformationsmittel aus einem reflektierenden Material, insbesondere aus Gold hergestellt ist. Gold weist eine hohe Reflektivität, insbesondere im infraroten Spektralbereich auf.
Alternativ oder zusätzlich dazu besteht die Möglichkeit, dass das Transformationsmittel eine äußere reflektierende Beschichtung aufweist. Durch eine derartige reflektierende Beschichtung können auch Zylinder aus anderen Materialien, wie beispielsweise Glaszylinder mit der entsprechenden Reflektivität versehen werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Transformationsmittel derart in der Vorrichtung angeordnet, dass die Zylinderachse der zumindest abschnittsweise zylindrischen oder zylinderähnlichen Form des Transformationsmittels im wesentlichen parallel, insbesondere koaxial, zu der mittleren Ausbreitungsrichtung des zu transformierenden Lichtstrahls und/oder des transformierten Lichtstrahls ist. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass die Vorrichtung derart gestaltet ist, dass ein von einem im wesentlichen punktförmigen Bereich ausgehender Lichtstrahl in einen Lichtstrahl transformiert werden kann, der einem von einem Ring ausgehenden Lichtstrahl entspricht. Aufgrund der Umkehrbarkeit eines optischen Weges kann die Vorrichtung somit auch derart gestaltet sein, dass ein von einem ringförmigen Bereich ausgehender Lichtstrahl in einen Lichtstrahl transformierbar ist, der einem von einem Punkt ausgehenden Lichtstrahl entspricht.
Vorteilhafterweise kann somit die Vorrichtung derart gestaltet sein, dass ein Lichtstrahl mit einer Gauss-Verteilung oder einer Gauss- ähnlichen Verteilung in einen Lichtstrahl mit einer Bessel-Verteilung oder einer Bessel-ähnlichen Verteilung überführbar ist. Insbesondere ein einem von einem Ring ausgehenden Lichtstrahl entsprechender Lichtstrahl kann bei geeigneter Überlagerung mit sich selbst zu einer Bessel-Verteilung führen.
Dies kann erfindungsgemäß insbesondere dadurch geschehen, dass die Vorrichtung mindestens ein Linsenmittel umfasst, das in Ausbreitungsrichtung des zu transformierenden Lichtstrahls vor und/oder hinter dem Transformationsmittel angeordnet ist. Beispielsweise kann ein hinter dem Transformationsmittel angeordnetes Linsenmittel einen von einem Ring ausgehenden Lichtstrahl derart mit sich selbst überlagern beziehungsweise derart fokussieren, dass ein Bessel-Strahl entsteht. Vorzugsweise ist die optische Achse des mindestens einen Linsenmittels parallel, insbesondere koaxial, zu der Zylinderachse der zumindest abschnittsweise zylindrischen oder zylinderähnlichen Form des Transformationsmittels. Insbesondere kann hierbei die Vorrichtung zwei Linsenmittel umfassen, die in Ausbreitungsrichtung des zu transformierenden Lichtstrahls und/oder des transformierten Lichtstrahls vor und hinter dem Transformationsmittel angeordnet sind. Dabei kann das mindestens eine Linsenmittel als sphärische Linse ausgebildet sein, insbesondere als Sammellinse, beispielsweise als sphärische Bikonvexlinse. Wenn auf eine derartige sphärische Sammellinse, deren optische Achse koaxial zu der Zylinderachse der zumindest abschnittsweise zylindrischen oder zylinderähnlichen Form des Transformationsmittels ausgerichtet ist, ein Gauss-Strahl auftrifft, wird dieser bei entsprechender Brennweite der sphärischen Linse derart auf die zylindrische Fläche des Transformationsmittels abgelenkt, dass nach Reflektion an der reflektierenden Fläche des Transformationsmittels ein ringförmiger Fokusbereich des transformierten Lichtstrahls entsteht. Das von diesem ringförmigen Fokusbereich ausgehende Licht kann von der zweiten beispielsweise ebenfalls als Sammellinse ausgeführten sphärischen Linse derart zur optischen Achse hin abgelenkt werden, dass im Überlagerungsbereich der von unterschiedlichen Abschnitten des Ringes ausgehenden Anteile des Lichtes eine Bessel-Verteilung entsteht.
Hierzu kann es sich als vorteilhaft erweisen, dass die zwei Linsenmittel einen Abstand zueinander aufweisen, der etwa der Summe ihrer Brennweiten entspricht.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Vorrichtung ein zumindest abschnittsweise als Hohlzylinder ausgebildetes Reflektionsmittel mit einer inneren reflektierenden Fläche auf, von der der von der Mantelfläche des Transformationsmittels reflektierte Lichtstrahl nach innen reflektiert werden kann. Vorzugsweise ist hierbei die Zylinderachse des Hohlzylinders koaxial zu der Zylinderachse der zumindest abschnittsweise zylindrischen oder zylinderähnlichen Form des Transformationsmittels. Insbesondere kann der Hohlzylinder die Mantelfläche des Transformationsmittels zumindest abschnittsweise umgeben, so dass der zu transformierende von der Mantelfläche reflektierte Lichtstrahl von der reflektierenden Innenseite des Hohlzylinders wiederum nach innen in Richtung auf die optische Achse der Vorrichtung reflektiert werden kann, wo die einzelnen Teilstrahlen des transformierten Lichtstrahles derart miteinander überlagern, dass beispielsweise eine Bessel-Verteilung entsteht. Das zumindest abschnittsweise als Hohlzylinder ausgeführte Reflektionsmittel kann somit das zweite Linsenmittel ersetzen, wodurch gegenüber der Ausführung der Vorrichtung mit Linsenmittel Abbildungsfehler weitestgehend vermieden beziehungsweise reduziert werden können.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung derart gestaltet ist, dass der transformierte Lichtstrahl beabstandet zu dem Transformationsmittel eine Verteilung aufweist, die zumindest teilweise einer Überlagerung von mindestens zwei unterschiedlichen Bessel-Verteilungen oder Bessel-ähnlichen Verteilungen entspricht. Eine derartige Überlagerung zweier oder mehrerer Bessel- Verteilungen lässt sich insbesondere dadurch erreichen, dass der zu transformierende Lichtstrahl von einer Lichtquelle ausgeht, die eine etwas größere Ausdehnung in radialer Richtung in einer Ebene senkrecht zu seiner Ausbreitungsrichtung aufweist. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass nach Reflektion an dem Transformationsmittel der Fokusring des transformierten Lichtstrahls ebenfalls in radialer Richtung etwas ausgedehnter ist. Dies führt in dem Überlagerungsbereich des von dem Fokusring ausgehenden Lichtes dazu, dass das Licht von mehreren in radialer Richtung infinitesimal beabstandeten Ringen überlagert wird. Eine Überlagerung des Lichtes von mehreren derartigen Ringen führt zu einer Überlagerung von zwei oder mehr Bessel-Verteilungen. Derartige Lichtstrahlen mit zwei oder mehr überlagerten Bessel- Verteilungen können im Gegensatz zu der Bessel-Verteilung erster Gattung nullter Ordnung ein vergrößertes Hauptmaximum und verkleinerte Nebenmaxima aufweisen. Durch die Reduzierung der Nebenmaxima können beispielsweise Anwendungen wie das Auslesen einer DVD oder Lithografieanwendungen oder das kolliniare Pumpen von laseraktiven Medien einfacher realisierbar werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Darin zeigen
Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 2 eine Detailansicht des Transformationsmittels der Vorrichtung gemäß Fig. 1 ;
Fig. 3 schematisch die Verteilung eines ersten Lichtstrahls in unterschiedlichen Ebenen während des Durchtritts durch die Vorrichtung gemäß Fig. 1 ;
Fig. 4 eine Fig. 3 entsprechende Ansicht auf Verteilungen eines zweiten Lichtstrahls;
Fig. 5 eine schematische Seitenansicht einer weiteren
Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 6. eine Fig. 2 entsprechende Detailansicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Aus Fig. 1 ist ersichtlich, dass eine erfindungsgemäße Vorrichtung im wesentlichen ein Transformationsmittel 1 umfasst, das in dem abgebildeten Ausführungsbeispiel als Zylinder ausgebildet ist. Es besteht erfindungsgemäß jedoch auch die Möglichkeit, anstelle eines Zylinders ein Transformationsmittel zu verwenden, das nur abschnittsweise eine zylindrische Form oder eine zylinderähnliche Form aufweist. Das als Zylinder ausgeführte Transformationsmittel weist eine reflektierende Außenseite seiner Mantelfläche auf. Insbesondere kann der Zylinder beispielsweise aus Gold gefertigt sein, so dass die Außenfläche bereits aufgrund der Wahl des Materials des Zylinders reflektiert. Es besteht aber auch die Möglichkeit, einen Zylinder aus einem anderen Material zu verwenden, der auf seiner Mantelfläche mit einer reflektierenden Schicht versehen ist.
In Fig. 1 sind in Richtung der Zylinderachse, die in dem abgebildeten Ausführungsbeispiel auch als optische Achse 2 dient, von dem Transformationsmittel 1 beabstandete Linsenmittel 3, 4 abgebildet, die insbesondere als bikonvexe sphärische Linsen ausgeführt sind. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung muss jedoch nicht notwendigerweise die Linsenmittel 3, 4 umfassen. Vielmehr ist das wesentliche und einzig notwendige Element einer erfindungsgemäßen Vorrichtung das Transformationsmittel 1 .
Aus Fig. 2 ist ersichtlich, dass ein auf das Transformationsmittel 1 von links in Fig. 2 auftreffender Lichtstrahl 5 auf die Mantelfläche 6 des Transformationsmittels 1 von außen auftrifft und in einen transformierten Lichtstrahl 7 reflektiert wird. In Fig. 2 ist dabei gestrichelt im Inneren des Transformationsmittels 1 der Verlauf des zu transformierenden Lichtstrahls für den Fall eingezeichnet, dass er nicht von der Mantelfläche 6 reflektiert würde. In diesem Fall würden alle Teilstrahlen des Lichtstrahls 5 in einem Punkt in einer Ebene B senkrecht zur optischen Achse 2 zusammentreffen. Aufgrund der Reflektion an der Mantelfläche 6 werden die Teilstrahlen des transformierten Lichtstrahls 7 in der Ebene B in eine ringförmige Verteilung um die optische Achse fokussiert.
Durch das Transformationsmittel 1 besteht somit die Möglichkeit einen Lichtstrahl 5, der beispielsweise von einer punktförmigen Lichtquelle ausgeht oder auf einen Punkt fokussierbar ist, in einen transformierten Lichtstrahl 7 zu transformierten, der beispielsweise in der Ebene B eine ringförmige Lichtquelle bildet. Aufgrund der Umkehrbarkeit des optischen Weges besteht natürlich auch die Möglichkeit, einen Lichtstrahl 7, der in der Ebene B eine ringförmige Lichtquelle bildet, in einen Lichtstrahl 5 zu transformieren, der beispielsweise von einer punktförmigen Lichtquelle, nämlich der in Fig. 1 in der Ebene B virtuell eingezeichneten punktförmigen Lichtquelle ausgeht.
Die in Fig. 1 abgebildete Vorrichtung kann beispielsweise in der ebenfalls zur optischen Achse 2 senkrechten Ebene A eine im wesentlichen punktförmige Lichtquelle aufweisen. Der von dieser Lichtquelle ausgehende Lichtstrahl 5 kann von dem Linsenmittel 3 auf das Transformationsmittel 1 derart abgelenkt werden, dass der Lichtstrahl 5 bei nicht vorhandenem Transformationsmittel 1 in der Ebene B auf einen Punkt fokussiert würde. Der von der Mantelfläche 6 des Transformationsmittels 1 reflektierte Lichtstrahl 7 kann von dem zweiten Linsenmittel 4 derart abgelenkt werden, dass unterschiedliche Teilstrahlen des Lichtstrahls 7 im wesentlichen im Bereich einer Ebene C, die ebenfalls senkrecht zu der optischen Achse ausgerichtet ist, überlagert werden. Das zweite Linsenmittel 4 ist dabei derart angeordnet, dass die Ebene B, innerhalb derer der Fokusring des transformierten Lichtstrahls 7 liegt, im Abstand der Brennweite F4 des zweiten Linsenmittels 4 von diesem beabstandet ist. Auf diese Weise ergibt sich in der Ebene C beziehungsweise in einem Bereich davor und dahinter eine Bessel-Verteilung des transformierten Lichtstrahls 7. Der Bereich der Bessel-Verteilung im Bereich der Ebene C ist in Fig. 1 schraffiert dargestellt.
Diese Verhältnisse sind in Fig. 3 noch einmal verdeutlicht. Das linke Bild in Fig. 3 zeigt die Verteilung des Lichtstrahls 5 im Bereich der im wesentlichen punktförmigen Lichtquelle beziehungsweise im Bereich eines in der Ebene A angeordneten Fokuspunktes. In der Ebene A weist der Lichtstrahl 5 eine Gauss-Verteilung auf. In der Ebene B befindet sich der Fokusring des Lichtstrahls 7, wobei der Rand in Richtung der Koordinate r ebenfalls im wesentlichen eine Gauss- Verteilung aufweist. In der Ebene C wird das von dem Fokusring der Ebene B ausgehende Licht derart überlagert, dass eine Bessel- Verteilung, insbesondere eine Verteilung, die einer Bessel-Funktion der ersten Gattung nullter Ordnung entspricht, erzielt wird.
Aus Fig. 4 ist ersichtlich, dass bei einer weniger punktförmigen Lichtquelle, das heißt bei einer Lichtquelle, die eine etwas größere Ausdehnung in radialer Richtung r in der Ebene A aufweist, auch in der Ebene B der Fokusring des transformierten Lichtstrahls 7 ebenfalls in radialer Richtung r etwas ausgedehnter ist. Dies führt dazu, dass in der Ebene C das Licht von mehreren in radialer Richtung r infinitesimal beabstandeten Ringen überlagert wird. Dies führt zu einer Überlagerung zweier oder mehrerer Bessel-Verteilungen in der Ebene C, so dass zumindest teilweise das Hauptmaximum der Bessel-Verteilung bei r=0 vergrößert wird, wobei die Nebenmaxima bei r≠O verkleinert werden. Dies kann für einige Anwendungen von Vorteil sein.
Aus Fig. 5 ist eine andere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ersichtlich, bei der gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Die Linsenmittel 3, 4 sind insbesondere derart angeordnet, dass die Ebene B nicht nur um die Größe der Brennweite F4 des zweiten Linsenmittels 4 von diesem beabstandet ist, sondern auch um die Größe der Brennweite F3 des ersten Linsenmittels 3 von diesem beabstandet ist. Auf diese Weise wird ein von links in Fig. 5 einfallender kollimierter Lichtstrahl durch das erste Linsenmittel 3 auf einen virtuellen Punkt in der Ebene B fokussiert. Die in Fig. 5 abgebildete Vorrichtung bietet somit die Möglichkeit, einen beispielsweise ein Gaussches Profil aufweisenden kollimierten Lichtstrahl 5 in einen Lichtstrahl 7 zu transformieren, der insbesondere im Bereich der Ebene C eine Bessel-Verteilung aufweist.
Aus Fig. 6 ist eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ersichtlich, bei der ebenfalls gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Von links in Fig. 6 geht ein Lichtstrahl 5 aus, der beispielsweise von einem nicht abgebildeten Linsenmittel, das insbesondere dem Linsenmittel 3 entsprechen kann, auf die äußere reflektierende Mantelfläche 6 des Transformationsmittels 1 abgelenkt wird. Wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 und Fig. 5 wird dabei der Lichtstrahl 5 derart auf die Mantelfläche 6 abgelenkt, dass er bei nicht vorhandenem Transformationsmittel 1 in der Ebene B in einen auf der optischen Achse 2 angeordneten Punkt fokussiert würde. Der von der Mantelfläche reflektierte Lichtstrahl 7 wird somit in der Ebene B in einen zur optischen Achse 2 koaxialen Ring fokussiert.
Im Unterschied zu den Ausführungsformen gemäß Fig. 1 und Fig. 5 umfasst die Vorrichtung gemäß Fig. 6 einen Hohlzylinder mit einer inneren reflektierenden Fläche 8, die in Fig. 6 schematisch angedeutet ist. Wie bei dem Transformationsmittel 1 kann die reflektierende Fläche 8 beispielsweise dadurch gebildet werden, dass der Hohlzylinder als solcher aus einem reflektierenden Material wie beispielsweise Gold gefertigt ist. Weiterhin besteht natürlich auch die Möglichkeit einen Hohlzylinder aus einem beliebigen Material auf seiner Innenseite mit einer reflektierenden Beschichtung zu versehen. Der Hohlzylinder bzw. die innere reflektierende Fläche 8 des Hohlzylinders ist koaxial zur optischen Achse 2 beziehungsweise zur Zylinderachse des Transformationsmittels 1 angeordnet. Weiterhin ist der Hohlzylinder derart angeordnet, dass der von der Mantelfläche 6 reflektierte Lichtstrahl 7 von der inneren reflektierenden Fläche 8 als Lichtstrahl 9 in Richtung auf die optische Achse 2 reflektiert wird. Im Bereich der optischen Achse 2 überlagern sich die einzelnen Teilstrahlen dieses Lichtstrahls 9 derart miteinander, dass wiederum eine Bessel-Verteilung entsteht. Dies ist in Fig. 6 nicht abgebildet.
In Fig. 6 ist in der Ebene B ein außerhalb des Hohlzylinders liegender virtueller Fokusring eingezeichnet, von dem der Lichtstrahl 9 ausgehen könnte, wenn kein Hohlzylinder vorhanden wäre. Der Hohlzylinder mit seiner inneren reflektierenden Fläche 8 ersetzt in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 somit das zweite Linsenmittel 4, das zur Überlagerung des reflektierten Lichtstrahles 7 mit sich selbst im Bereich der optischen Achse 2 dient. Durch die Ersetzung des Linsenmittels 4 durch die reflektierende Fläche 8 können Abbildungsfehler reduziert werden.

Claims

Patentansprüche:
1 . Vorrichtung zur Transformation eines Lichtstrahls (5) in einen transformierten Lichtstrahl (7), der eine andere Verteilung als der zu transformierende Lichtstrahl (5) aufweist, umfassend ein Transformationsmittel (1 ) für die Transformation des Lichtstrahls (5), dadurch gekennzeichnet, dass das Transformationsmittel (1 ) zumindest abschnittsweise eine zylindrische oder zylinderähnliche Form mit einer zumindest teilweise reflektierenden Außenseite der Mantelfläche (6) aufweist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Transformationsmittel (1 ) als Zylinder ausgebildet ist.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Transformationsmittel (1 ) aus einem reflektierenden Material, insbesondere aus Gold hergestellt ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Transformationsmittel (1 ) eine äußere reflektierende Beschichtung aufweist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Transformationsmittel (1 ) derart in der Vorrichtung angeordnet ist, dass die Zylinderachse der zumindest abschnittsweise zylindrischen oder zylinderähnlichen Form des Transformationsmittels (1 ) im wesentlichen parallel, insbesondere koaxial, zu der mittleren Ausbreitungsrichtung des zu transformierenden Lichtstrahls (5) und/oder des transformierten Lichtstrahls (7) ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung derart gestaltet ist, dass ein von einem im wesentlichen punktförmigen Bereich ausgehender Lichtstrahl (5) in einen Lichtstrahl (7) transformiert werden kann, der einem von einem Ring ausgehenden Lichtstrahl entspricht.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung derart gestaltet ist, dass ein von einem ringförmigen Bereich ausgehender Lichtstrahl (7) in einen Lichtstrahl (5) transformierbar ist, der einem von einem Punkt ausgehenden Lichtstrahl entspricht.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung derart gestaltet ist, dass ein Lichtstrahl (5) mit einer Gauss-Verteilung oder einer Gauss- ähnlichen Verteilung in einen Lichtstrahl (7) mit einer Bessel- Verteilung oder einer Bessel-ähnlichen Verteilung überführbar ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens ein Linsenmittel (3, 4) umfasst, das in Ausbreitungsrichtung des zu transformierenden Lichtstrahls (5) oder des transformierten Lichtstrahls (7) vor und/oder hinter dem Transformationsmittel (1 ) angeordnet ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Achse (2) des mindestens einen Linsenmittels (3, 4) parallel, insbesondere koaxial, zu der Zylinderachse der zumindest abschnittsweise zylindrischen oder zylinderähnlichen Form des Transformationsmittels (1 ) ist.
1 1. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zwei Linsenmittel (3, 4) umfasst, die in Ausbreitungsrichtung des zu transformierenden Lichtstrahls (5) und/oder des transformierten Lichtstrahls (7) vor und hinter dem Transformationsmittel (1 ) angeordnet sind.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Linsenmittel (3, 4) als sphärische Linse ausgebildet ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Linsenmittel (3, 4) als Sammellinse, insbesondere als sphärische Bikonvexlinse ausgebildet ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Linsenmittel (3, 4) einen Abstand zueinander aufweisen, der etwa der Summe ihrer Brennweiten (F3, F4) entspricht.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein zumindest abschnittsweise als Hohlzylinder ausgebildetes Reflexionsmittel mit einer inneren reflektierenden Fläche (8) aufweist, von der der von der Mantelfläche (6) des Transformationsmittels (1 ) reflektierte Lichtstrahl(7) nach innen reflektiert werden kann.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderachse des Hohlzylinders koaxial zu der Zylinderachse der zumindest abschnittsweise zylindrischen oder zylinderähnlichen Form des Transformationsmittels (1 ) ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung derart gestaltet ist, dass der transformierte Lichtstrahl (7) beabstandet zu dem Transformationsmittel (1 ) eine Verteilung aufweist, die zumindest teilweise einer Überlagerung von mindestens zwei unterschiedlichen Bessel-Verteilungen oder Bessel-ähnlichen Verteilungen entspricht.
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