DE2650605A1

DE2650605A1 - Optische anordnung

Info

Publication number: DE2650605A1
Application number: DE19762650605
Authority: DE
Inventors: Douglas Charles John Reid
Original assignee: Plessey Handel und Investments AG
Current assignee: Plessey Handel und Investments AG
Priority date: 1975-12-23
Filing date: 1976-11-04
Publication date: 1977-07-07
Also published as: JPS5280851A; NL7614353A; GB1549613A; US4149773A; FR2336630A1

Description

DR.-ING. HANS LEYH

0-8 München 80,

Lucile-Grahn-Straße 38

Unser Zeichen: A 13

Lh/fi

PLESSEY HANDEL UND INVESTMENTS A.G. Gartenstrasse 2 6300 Zug (Schweiz)

Optische Anordnung

Die Erfindung betrifft eine optische Anordnung zur Erzeugung eines Lichtstrahles mit gleichmäßiger Intensitätsverteilung.

Verfahren zur Erzeugung eines Lichtstrahles mit gleichmäßiger Intensitätsverteilung zur Verwendung der Beleuchtung eines Gegenstandes sind bekannt, wobei ein fotografisches Negativ des Lichtstrahles nach seinem Durchgang durch das Objekt, z.B. einem PLZT-Modulator, genommen wird, worauf zwischen einer Lichtquelle und dem Objekt ein optisches System angeordnet wird, das aus einer positiven zylindrischen Linse, d.h. einer zylindrischen Linse mit wenigstens einer konvexen Oberfläche und dem fotografischen Negativ besteht. Das fotografische Negativ bewirkt eine gleichmäßige Verteilung

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des Lichtes durch Unterdrückung der Gauß¹sehen Intensitätsverteilung des Lichtes, das aus der Lichtquelle austritt, um Licht mit einer gleichmäßigen Intensitätsverteilung zu erzeugen, die unter der Bezeichnung "Top-Hat-Verteilung" bekannt ist. Der Hauptnachteil dieser Methode ist jedoch, daß annähernd 90% des Lichtes verlorengehen.

Nach der Erfindung ist ein optisches System zur Erzeugung eines Lichtstrahles mit gleichmäßiger Intensitätsverteilung vorgesehen, das wenigstens ein Fresnel-Zwillingsprisma aufweist zur Umformung eines Lichtstrahles mit nicht-g'leichförmiger Intensitätsverteilung in einen Lichtstrahl mit gleichmäßiger Intensitätsverteilung.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist das optische System mit einer ersten optischen Einrichtung versehen, die zwischen der mit Facetten versehenen Oberfläche des Fresnel-Zwillingsprismas und einem Eingang des optischen Systems angeordnet ist und durch das Divergenz und Kollimation bei einem Eingangslichtstrahl erzeugbar ist, der auf die Facettenoberfläche gerichtet ist, wobei der zugehörige Lichtausgang bei jeder der zwei Facetten der Facettenoberfläche des Fresnel-Zwillingsprismas sich überlappt und im Bereich der Überlappung einen Lichtstrahl gleichmäßiger Intensität liefert. Ferner ist eine zweite optische Einrichtung vorgesehen, die zwischen der Fläche des Fresnel-Zwillingsprismas, aus der der Lichtausgang austritt, und dem Überlappungsbereich angeordnet ist, wobei diese Einrichtung eine Brennweite hat, die den Bereich bestimmt, über den der Lichtausgang dieses Fresnel-Zwillingsprismas gleichmäßig verteilt ist.

Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfaßt die erste optische Einrichtung eine negative zylindrische Linse und eine positive zylindrische Linse, wobei die Achsen der

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Linsen und die Kantenlinie der beiden Facetten des Fresnel-Doppelprismas parallel sind, während die zweite optische Einrichtung eine positive zylindrische Linse aufweist, deren Achse horizontal zu dieser Kantenlinie des Fresnel-Prismas ist, und wobei ferner die erste und die zweite optische Einrichtung zusammen mit dem Fresnel-Zwillingsprisma wirken, um eine Linie aus Licht zu erzeugen, die eine gleichmäßige Intensitätsverteilung im Bereich der Überlappung hat.

Vorzugsweise umfaßt die erste optische Einrichtung eine negative sphärische Linse und eine positive sphärische Linse, während die zweite optische Einrichtung eine positive oder negative sphärische Linse aufweist, wobei zwei Fresnel-Zwillingsprismen vorgesehen und so angeordnet sind, daß die Kantenlinie der beiden Facetten von jedem der Zwillingsprismen senkrecht zueinander liegen, so daß die Facettenfläche von einem der Fresnel-Prismen benachbart zu der positiven sphärischen Linse der ersten optischen Einrichtung liegt und daß die Facettenfläche des anderen Fresnel-Prismas angrenzend an die zweite optische Einrichtung liegt, wobei ferner die erste und die zweite optische Einrichtung mit den beiden Fresnel-Zwillingsprismen ζusamenwirken, um ein Viereck aus Licht zu bilden, das eine gleichmäßige Intensitätsverteilung in dem Überlappungsbereich aufweist.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert, in der

Fig. 1 eine bevorzugte Ausführungsform eines optischen Systems nach der Erfindung zeigt, das in der Lage ist, eine Lichtlinie oder einen Lichtstrahl mit gleichmäßiger Intensitätsverteilung zu erzeugen.

Fig. 2 zeigt in Seitenansicht eine weitere Ausführungsform

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eines erfindungsgeinäßen optischen Systems, das in der Lage ist, ein Viereck aus Licht mit gleichmäßiger Intensitätsverteilung zu erzeugen.

Die Ausführungsform nach Fig. 1 umfaßt eine optische Anordnung mit einer negativen zylindrischen Linse 1 und einer Brennweite f1, d.h. eine zylindrische Linse mit wenigstens einer konkaven Oberfläche, sowie einer positiven zylindrischen Linse 2 mit einer Brennweite f2.

Die zylindrischen Linsen 1 und 2 sind zwischen einem Fresnel-Zwillingsprisma 3 und einer Lichtquelle 4 angeordnet, beispielsweise einem Laser, der in seiner fundamentalen Art und Weise arbeitet. Der Lichtstrahl 5, der von der Lichtquelle 4 emittiert wird, hat eine Gauß'sche Intensitätsverteilung, d.h. eine ungleichförmige Intensitätsverteilung und er hat keinen kreisförmigen Querschnitt.

Die Achsen der zylindrischen Linsen 1 und 2 sind parallel zueinander und zur Kantenlinie 3a der beiden Facetten des Fresnel-Doppelprismas 3. Die Facettenoberfläche des Prismas 3 ist, wie in Fig. 1 dargestellt, benachbart zu der positiven zylindrischen Linse 2 gelegen, obwohl, wenn der Winkel Ό( kleiner als 10° ist, kann auch die ebene Fläche 3b des Prismas 3 benachbart zu der positiven zylindrischen Linse 2 angeordnet werden.

Der Lichtstrahl 5, der von der Lichtquelle 4 emittiert wird, läuft zuerst durch die negative zylindrische Linse 1, die den Strahl divergiert. Der divergente Lichtstrahl läuft dann durch die positive zylindrische Linse 2, die eine Kollimation des Strahles bewirkt. Ferner wird der Querschnitt des Strahles 5 durch die Linse 2 von einem kreisförmigen in einen elliptischen Querschnitt verändert.

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Ein Schnitt längs der Linie X-X durch den elliptischen Teil des Strahles an der zylindrischen Linse 2 zeigt eine Gauß'sehe Intensitätsverteilung. Somit wird ein Gegenstand, der zwischen der zylindrischen Linse 2 und dem Fresnel-Zwillingsprisma 3 angeordnet wird, durch einen Lichtstrahl beleuchtet, der einen elliptischen Querschnitt hat mit einer maximalen Beleuchtung im Bereich des Schnittes der Haupt- und Nebenachse der Ellipse.

Der aus der Linse 2 austretende Lichtstrahl fällt dann auf die Facettenfläche des Zwillingsprismas 3. Die Facettenfläche des Prismas 3 teilt die ebene Wellenfront des Lichtstrahles 5 in zwei Hälften 5a und 5b, von denen jede Hälfte eine nicht-gleichförmige Intensitätsverteilung hat. Die Strahlen 5a und 5b werden separat um einen Winkel abgelenkt, der durch die Geometrie des Prismas 3 bestimmt ist. Die beiden Strahlen 5a und 5b laufen progressiv aufeinanderzu bis eine Linie aus Licht 6 mit gleichmäßiger Intensitätsverteilung in einem Überlappungsbereich 7 gebildet wird, der in einem Abstand von der ebenen Fläche 3b des Fresnel-Zwillingsprismas 3 liegt.

Die Funktion der zylindrischen Linse 8 besteht darin, den Beleuchtungsbereich der durch die Lichtlinie 6 bedeckt wird, zu optimieren, wobei der wirkliche überdeckte Bereich von den Abmessungen eines Gegenstandes 9 abhängig ist, der im Bereich der Überlappung 7 angeordnet ist.

Ein Schnitt längs der Linie Y-Y durch die Lichtlinie 6, die das Objekt 9 beleuchtet, zeigt eine gleichmäßige Intensitätsverteilung, die als Top-Hat-Verteilung bekannt ist. Diese Intensitätsverteilung wird gebildet durch die Überlagerung der beiden Intensitätsverteilungen der Strahlen 5a und 5b, die separate Hälften der Gauß'sehen Intensitätsverteilung des

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Lichtstrahles 5 sind. Der flache Teil der Top-Hat-Intensitätsverteilung, d.h. der Teil, der normal zu seiner Symmetrieachse liegt, wird aus der überlagerung der Beugungslinien und der Interferenzlinien gebildet. Die Brechungs- oder Beugungs-Linien sind das Ergebnis der Teilung der ebenen Wellenfront des Lichtstrahles 5 an der Facettenfläche des Prismas 3. Die Interferenzlinien sind das Erzeugnis des progressiven Zusammenlaufens und der Überlappung der Strahlen 5a und 5b. Die Überlagerung dieser beiden Typen von Linien oder Streifen verursacht eine scheinbare Abweichung in der Linearität des flachen Teiles der Top-Hat-Intensitätsverteilung. Wenn jedoch diese Intensitätsverteilung abgetastet wird, um ein Histogramm zu bilden, unter Verwendung einer Öffnung, die das zwei- oder dreifache der Größe des Linienabstandes beträgt, ergibt sich, daß die scheinbare Abweichung in der Linearität, die durch die Überlagerung der Beugungs- und Interferenzlinie verursacht wird, nur um etwa + 1,5% zu variieren scheint.

Die Lichtlinie 6 besteht aus einem sich wiederholenden Muster aus Linien oder Streifen, wobei der Abstand zwischen jeder Linie abhängig ist vom Winkel des Fresnel-Zwillingsprismas 3. Der Wert von χ ist so gewählt, daß im Falle der Gegenstand ein PLZT-Modulator ist, eine maximale Belichtung des Schaltbereiches des Modulators erreicht wird.

Die Länge der Lichtlinie 6 hängt von den Brennweiten f1, f2 und f3 der zylindrischen Linsen 1,2 und 8 ab.

Fig. 2 zeigt eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Systems, das ein Viereck aus Licht erzeugt mit einer gleichmäßigen Intensitätsverteilung und dessen optische Anordnung eine negative sphärische Linse 10 mit einer Brennweite f4 sowie eine positive sphärische Linse 11 mit einer Brennweite f5 aufweist.

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Die sphärischen Linsen 10 und 11 sind zwischen einem Paar von Fresnel-Zwillingsprismen 12 und 13 und einer Lichtquelle 14 angeordnet, beispielsweise einem Laser, der in seiner fundamentellen Art und Weise arbeitet. Der Lichtstrahl 15 hat eine Gauß'sche Intensitätsverteilung, d.h. eine nicht gleichförmige Intensitätsverteilung und er ist im Querschnitt kreisförmig .

Die negative sphärische Linse 10 liegt angrenzend an die Lichtquelle 14 und die positive sphärische Linse 11 liegt angrenzend an die beiden Prismen 12 und 13. Die beiden Zwillingsprismen 12 und 13 sind so angeordnet, daß die Kantenlinien 12a und 13a der beiden Facetten von jeder der Facettenflächen senkrecht zueinander liegen. Die Facettenfläche des Prismas 12 liegt angrenzend an die positive sphärische Linse 11 und die ebenen Flächen 12b und 13b der beiden Prismen liegen einander zugewandt. Die ebenen Flächen 12b und 13b liegen in der Praxis aneinander an, wenn die Winkel pC der beiden Prismen gleich sind, sie haben jedoch einen Abstand, wenn die Uinkel G\ der beiden Zwillingsprismen ungleich sind.

Der von der Lichtquelle 14 emittierte Lichtstrahl 15 läuft zuerst durch die negative sphärische Linse 10, die den Strahl divergiert. Der divergente Lichtstrahl läuft dann durch die positive sphärische Linse 11, durch die eine Kollimation des Strahles bewirkt wird.

Ein Schnitt längs einer Linie X-X durch den kreisförmigen Teil des Strahles an der sphärischen Linse 11 zeigt eine Gauß'sche Intensitätsverteilung. Somit wird ein Gegenstand, der zwischen d2r sphärischen Linse 11 und dem Paar Prismen und 13 angeordnet ist, durch einen Lichtstrahl mit kreisförmigen Querschnitt beleuchtet, der in seinem Zentralbereich eine maximale Beleuchtungsstärke hat. Der aus der positiven

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Linse 11 austretende Lichtstrahl fällt dann auf die Facettenfläche des Zwillingsprismas 12. Die Facettenfläche des Prismas 12 teilt die ebene Wellenfront des Lichtstrahles 15 in zwei Hälften. Jede Hälfte des Lichtstrahles läuft dann durch die ebenen Flächen 12b und 13b ohne weitere Teilung. Jedoch beim Durchgang durch die Facettenfläche des Zwillingsprismas 13 wird jede der beiden Hälften des Lichtstrahles in zwei Teile unterteilt, somit treten aus der Facettenfläche des Prismas vier Lichtstrahlen aus, von denen jeder einen separaten Quadranten eines Vierecks (square) bildet, wobei diese Strahlen progressiv zusammenlaufen und ein Lichtviereck 16 mit gleichmäßiger Intensitätsverteilung in einem Überlappungsbereich 17 bilden, der in einem Abstand von der Facettenfläche des Prismas 13 liegt. Zwischen dem Prisma 13 und dem Überlappungsbereich 17 ist ein weiteres optisches Element angeordnet, das eine positive oder eine negative sphärische Linse 18 mit einer Brennweite f6 umfaßt.

Die Funktion der sphärischen Linse 18 besteht darin,den Belichtungsbereich, der von dem Lichtviereck 16 überdeckt wird, zu optimieren, wobei die wirkliche überdeckte Fläche von den Abmessungen eines Gegenstandes 19 abhängt, der im Überlappungsbereich 17 angeordnet ist. Wenn ein kleiner Bereich des Gegenstandes 19 beleuchtet werden soll, wird eine positive sphärische Linse benutzt, wenn jedoch ein großer Bereich des Gegenstandes 19 beleuchtet werden soll, wird eine negative sphärische Linse verwendet.

Ein Schnitt längs der Linie Y-Y durch das Lichtviereck 16, welches das Objekt 19 beleuchtet, zeigt eine gleichmäßige Intensitätsverteilung, die als Top-Hat-Intensitätsverteilung bekannt ist. Diese Intensitätsverteilung v/ird gebildet durch die Überlagerung der vier Ihtensitätsverteilungen der vier Lichtstrahlen, die aus der Facettenfläche des Fresnel-Zwillings-

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prismas 13 austreten. Jeder der vier Strahlen besitzt einen separaten Teil der Gauß¹sehen Intensitätsverteilung des Lichtstrahles 15. Der flache Teil der Top-Hat-Verteilung wird aus der überlagerung von Brechungs- und Interferenzlinien gebildet. Die Brechungslinien oder Brechungsstreifen sind das Ergebnis der Teilung der ebenen Wellenfront des Lichtstrahles 15 an den Facettenflächen von jedem der beiden Prismen 12 und 13. Die Interferenzstreifen sind das Ergebnis des progressiven Zusammenlaufens und der Überlappung der vier Lichtstrahlen, die aus der Facettenfläche des Prismas 13 austreten. Die überlagerung dieser beiden Typen von Linien oder Streifen verursacht eine scheinbare Abweichung in der Linearität des flachen Teiles der Top-Hat-Intensitätsverteilung. Wenn jedoch die Top-Hat-Intensitäts-Verteilung abgetastet wird, um ein zweidimensionales Histogramm zu bilden, unter Verwendung einer viereckigen Öffnung, deren Seiten das zwei- oder dreifache der Größe des Linienabstandes sind, so ergibt sich, daß die scheinbare Abweichung von der Linearität, die durch die überlagerung der Brechungslinien hervorgerufen wird, nur zwischen etwa + 1,5% zu variieren scheint.

Die Abmessungen des Lichtviereckes 16 hängen von den Brennweiten f4, f5 und f6 der sphärischen Linsen 10, 11 und 18 ab.

Das Lichtviereck 16 wird aus einem geradlinigen Muster von Linien oder Streifen gebildet, wobei der Abstand zwischen den Linien abhängt von dem Winkel c* der beiden Prismen und 13.

Bei dem optischen System nach Fig. 2 wird bemerkt, daß die Positionen der Prismen 12 und 13 umgekehrt werden können, d.h. das Prisma 13 kann benachbart zu der sphärischen Linse

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und dasPrisma 12 kann benachbart zu der sphärischen Linse 18 angeordnet werden. Das erfindungsgemäße optische System kann bevorzugt, aber nicht ausschließlich, zur gleichmäßigen Beleuchtung einer linearen Modulreihe verwendet werden. Es eignet sich ferner auch zur Verwendung in optischen Datenverarbeitungsanlagen und/oder Speichersystemen.

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Leerseife

Claims

Patentansprüche

J Optische Anordnung zur Erzeugung eines Lichtstrahles mit gleichmäßiger Intensitätsverteilung, gekennzeichnet durch wenigstens ein Fresnel-Zwillingsprisma (3) zum Umwandeln eines Lichtstrahles mit einer nicht gleichen Intensitätsverteilung in einen Lichtstrahl mit einer gleichmäßigen Intensitätsverteilung.
2. Optische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß eine erste optische Einrichtung zwischen der Facettenfläche des Fresnel-Zwillingsprismas (3) und einem Eingang (4) angeordnet ist, um bei einem eintretenden auf die Facettenfläche gerichteten Lichtstrahl eine Divergenz und danach eine Kollimation zu erzeugen, daß der Lichtausgang (5a, 5b), der jeder der beiden Facetten der Facettenfläche des Prismas (3) zugeordnet ist, sich überlappt und in einem Uberlappungsbereich (7) einen Lichtstrahl gleichmäßiger Intensität bildet, und daß ferner eine zweite optische Einrichtung zwischen der Fläche(3b) des Prismas (3), aus der das Ausgangslicht austritt und dem Uberlappungsbereich (7) angeordnet ist, die eine Brennweite hat, welche den Bereich bestimmt, über den der Lichtausgang des Fresnel-Zwillingsprismas (3) gleichmäßig verteilt ist.
3. Optische Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die erste optische Einrichtung eine negative zylindrische Linse (1) und eine positive zylindrische Linse (2) aufweist, daß die Achsen

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der Linsen und die Kantenlinie (3a) der beiden Facetten des Prismas (3) parallel sind, daß ferner die zweite optische Einrichtung eine positive zylindrische Linse (8) aufweist, deren Achse horizontal zur Kantenlinie (3a) des Prismas (3) liegt und daß die erste und die zweite optische Einrichtung mit dem Prisma (3) zusammenwirken, um eine Lichtlinie (3) mit gleichmäßiger Intensitätsverteilung im Überlappungsbereich (7) zu erzeugen.
4. Optische Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Länge der Lichtlinie (6) von den Brennweiten der Linsen (1, 2 und 8) der ersten und der zweiten optischen Einrichtung abhängig ist.
5. Optische Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die erste optische Einrichtung eine negative sphärische Linse (10) und eine positive sphärische Linse (11) aufweist, daß die zweite optische Einrichtung eine positive oder negative sphärische Linse (18) aufweist, daß zwei Fresnel-Zwillingsprismen (12, 13) vorgesehen und so angeordnet sind, daß die Kantenlinien (12a, 13a) der beiden Facetten der beiden Prismen (12, 13) senkrecht zueinander liegen, so daß die Facettenfläche von einem der Prismen angrenzend an die positive sphärische Linse (11) der ersten optischen Einrichtung und die Facettenfläche des anderen Prismas angrenzend an die zweite optische Einrichtung angeordnet ist, und daß die erste und die zweite optische Einrichtung mit den Prismen (12, 13), zusammenwirken, um ein Lichtviereck (16) mit gleichmäßiger Intensitätsverteilung im Überlappungsbereich

(17) zu bilden.

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6. Optische Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Abmessungen des Lichtviereckes (16) von den Brennweiten der Linsen (10, 11, 18) der ersten und der zweiten optischen Einrichtung abhängig sind.

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