DE19804209C2 - Vorrichtung zur Ausleuchtung einer Fläche unter einem veränderbaren Lichteinfallswinkel - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ausleuchtung einer Fläche unter einem veränderbaren Lichteinfallswinkel, insbesondere zur Einkopplung von Licht in ei­ nen Lichtwellenleiter.

Zur Einkopplung von Licht in einen Lichtwellenleiter werden in der integrierten Optik un­ ter anderem sogenannte Koppelgitter verwendet. Diese Gitter werden zum Beispiel durch Ätztechniken in den Wellenleiter eingebracht. Mindestens eine der Beugungsord­ nungen regt bei Einstrahlung unter einem vorgegebenen Winkel einen Wellenleiter- Modus an (Fig. 8). Dieser Winkel α hängt gemäß

nsinα = n_eff - k λ / Λ,

von der Brechzahl n_eff des Umgebungsmediums, der effektiven Brechzahl des Wellenlei­ ter-Modus rieft, der Beugungsordnung k, der Lichtwellenlänge λ und der Gitterperiode Λ ab.

Die Abhängigkeit von n_eff ist Grundlage der Verwendung des Gitterkopplers als Meßvor­ richtung. Da sich n_eff z. B. bei der Anlagerung von dünnen Filmen auf dem Wellenleiter verändert, kann durch Messung des Koppelwinkels die Massenbelegung der Wellenlei­ ter-Oberfläche detektiert werden. Aus dem Einfluß der effektiven Brechzahl auf den Koppelwinkel folgt außerdem, daß bei Verwendung des Gitters als Einkoppelvorrichtung für austauschbare Wellenleiter-Bauelemente der n_eff-Wert für alle verwendeten Bauele­ mente mit hoher Genauigkeit identisch sein muß. Schon sehr geringe Variationen, so­ wohl der Brechzahl des lichtleitenden Filmes als auch der Dicke dieses Filmes, bewirken eine Änderung des Koppelwinkels in der Größenordnung von einigen Zehntel Grad bis hin zu einem Grad.

Um diese Änderungen des Koppelwinkels auszugleichen ist es bekannt, das Wellenlei­ terbauelement um eine Achse, die durch das Gitter verläuft, zu verkippen bzw. zu dre­ hen, wie es in der Fig. 9 dargestellt ist. Es ist jedoch aufwendig, das Wellenleiterbau­ element entsprechend zu bewegen, oder es kann gefordert sein, das Wellenleiterbau­ element zu fixieren, so daß diese Lösung ausscheidet.

Alternativ dazu kann bei fester Geometrie der Anordnung die Lichtwellenlänge variiert werden. In diesem Fall können Laser wegen ihrer geringen spektralen Breite nicht zum Einsatz kommen. Das wäre ein Nachteil, da Laserwegen ihrer guten Kollimierbarkeit und ihrer hohen Lichtintensität für diese Anwendung eine ideale Lichtquelle darstellen.

Weiterhin ist es bekannt, den einfallenden Lichtstrahl abzulenken. Verwendet man z. B. einen einfachen Ablenkspiegel im Eingangsstrahl, ist es aber nicht möglich, Änderungen im Koppelwinkel auszugleichen, ohne die ausgeleuchtete Fläche zu verändern. Da das Koppelgitter konstant mit demselben Strahlquerschnitt ausgeleuchtet sein muß, ist die Kombination einer Drehung mit einer Verschiebung eines Umlenkspiegels, wie es in Fig. 10 gezeigt ist, notwendig. Da diese Bewegungen synchron erfolgen müssen, erfordert dies eine aufwendige mechanische Anordnung und eine komplizierte Ansteuerung.

Aus der Druckschrift EP 0 802 439 A1 ist ein Mikrodeflektor zum Ablenken eines Licht­ strahles bekannt. Dieser Deflektor weist einen stationären Abschnitt und zwei Arme auf, die eine Linse an dem stationären Abschnitt lagern. Diese Arme sind bewegbar, um die Linse in einer Ebene relativ zu dem stationären Abschnitt zu bewegen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der genannten Druckschrift sind zwei Sammellinsen an einem Ein­ gang und Ausgang des stationären Abschnitts des Mikrodeflektors vorgesehen. Die an den Armen bewegbar gelagerte Linse ist eine Zerstreuungslinse, die zwischen den stati­ onären Linsen angeordnet ist.

Diese Vorrichtung ist geeignet, um einen Lichtstrahl mit großem Durchmesser abzulen­ ken. Ein derartiger Lichtstrahl aus parallelem Licht tritt durch die eingangsseitige Sam­ mellinse ein und wird in Richtung der bewegbaren Zerstreuungslinse fokussiert. Dieser Lichtstrahl tritt aus der Zerstreuungslinse aus und trifft auf die ausgangsseitige Sammel­ linse. Die bewegbaren Arme werden derart angesteuert, daß sich die Zerstreuungslinse in der genannten Ebene des Mikrodeflektors bewegt, so daß der Lichtstrahl, der aus der ausgangsseitigen Sammellinse austritt in gewünschter Weise abgelenkt wird.

Aus der bezüglich der vorliegenden Anmeldung älteren, jedoch nicht vorveröffentlichten Druckschrift EP 0 903 608 A2 ist ebenfalls eine Vorrichtung zum Ablenken eines Strahls, beispielsweise eines Lichtstrahls, bekannt. Diese Vorrichtung dient dazu, ein Lichtsignal in einem freien Raum eines optischen Kommunikationssystems zu richten.

Diese Vorrichtung weist eine Sammellinse und eine Zerstreuungslinse auf, die hinterein­ ander angeordnet sind. Diese Linsen sind so nahe wie möglich zueinander angeordnet und unabhängig voneinander bewegbar. Ein Lichtsignal tritt entlang einer ersten Achse in diese Linsenanordnung ein, wobei das austretende Licht in Abhängigkeit der Lage der Linsen zueinander abgelenkt wird. Gemäß dieser Druckschrift werden diese Linsen durch Verlagerungseinrichtungen bewegt, wobei diese Verlagerungseinrichtungen durch Mikrofone steuerbar sind, um so Sprache oder dergleichen durch die Ablenkung des Lichtstrahls zu übertragen.

Aus der Druckschrift DE 35 19 995 A1 ist ein optisches Beleuchtungssystem für ein En­ doskop bekannt. Das optische Beleuchtungssystem für ein Endoskop weist einen licht­ quellenseitigen Lichtleiter, einen zum letzteren ausgerichteten und beabstandeten licht­ empfangsseitigen Lichtleiter und ein zwischen den beiden Lichtleitern angeordnetes op­ tisches Verbindungssystem auf. Um eine gleichmäßige Beleuchtung einer Oberfläche eines zu beleuchtenden Objektes zu ermöglichen, besteht das optische Verbindungs­ system aus wenigstens einer konvexen Linse und einer wenigstens einer konkaven Lin­ se. Die konkave Linse weitet das Lichtbündel auf und ist vor dem Eintrittsende des licht­ empfangsseitigen Lichtleiters angeordnet. Die genannten Linsen sind ortsfest in dem Beleuchtungssystem gelagert.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Ausleuchten einer Fläche unter einem veränderbaren Lichteinfallswinkel zu schaffen, die einen einfachen Aufbau aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zum Ausleuchten einer Fläche mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargelegt.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Ver­ bindung mit den dazugehörigen Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:

Fig. 1a Prinzip einer ersten Ausführungsform einer Vorrichtung zum Einkoppeln von Licht in einen Wellenleiter in einer ersten Winkelposition,

Fig. 1b Vorrichtung gemäß Fig. 1a in einer zweiten Winkelposition,

Fig. 2a, b eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung zum Einkoppeln von Licht in einen Wellenleiter in einer ersten und zweiten Winkelposition,

Fig. 3a, b eine dritte Ausführungsform der Vorrichtung zum Einkoppeln von Licht in einen Wellenleiter in einer ersten und zweiten Winkelposition,

Fig. 4a, b eine vierte Ausführungsform der Vorrichtung zum Einkoppeln von Licht in einen Wellenleiter in einer ersten und zweiten Winkelposition,

Fig. 5a, b eine fünfte Ausführungsform der Vorrichtung zum Einkoppeln von Licht in einen Wellenleiter in einer ersten und zweiten Winkelposition,

Fig. 6a, b eine sechste Ausführungsform der Vorrichtung zum Einkoppeln von Licht in einen Wellenleiter in einer ersten und zweiten Winkelposition,

Fig. 7a, b eine siebte Ausführungsform der Vorrichtung zum Einkoppeln von Licht in einen Wellenleiter in einer ersten und zweiten Winkelposition,

Fig. 8 das Prinzip der Einkopplung eines Lichtstrahls in einen planaren Wellen­ leiter mit einem Koppelgitter,

Fig. 9 das Prinzip einer Vorrichtung zum Einkoppeln von Licht in einen Wellen­ leiter nach dem Stand der Technik,

Fig. 10 das Prinzip einer weiteren Vorrichtung zum Einkoppeln von Licht in einen Wellenleiter nach dem Stand der Technik,

Fig. 11 eine Modifikation der zweiten Ausführungsform,

Fig. 12 den prinzipiellen Aufbau einer achten Ausführungsform.

Fig. 1a, 1b zeigen das Prinzip einer ersten Ausführungsform einer Vorrichtung zum Einkoppeln von Licht in einen Wellenleiter (nicht gezeigt) durch ein Koppelgitter 1. Dabei weist die Vorrichtung eine Sammellinse 3 und eine Streulinse 2 auf. Eine nicht gezeigte Lichtquelle, z. B. ein Laser, sendet Lichtstrahlen parallel zur optischen Achse der Sam­ mellinse 3 auf diese aus. Nach dem Durchtritt des parallelen Lichts durch die Sammellin­ se 3 sind alle Lichtstrahlen auf den Brennpunkt der Sammellinse 3 gerichtet. Das Kop­ pelgitter 1 ist in der Brennebene der Sammellinse 3 im Bereich deren Brennpunkts an­ geordnet. Wie in der Fig. 1a gezeigt, entspricht somit der Abstand f₂ des Koppelgitters 1 von der Sammellinse 3 der Brennweite der Sammellinse 3.

Zwischen der Sammellinse 3 und dem Koppelgitter 1 ist eine Streulinse 2 angeordnet. Die Brennweite dieser Streulinse 2 ist betragsmäßig kleiner als die Brennweite der Sammellinse 3. Der Abstand f₁ der Streulinse 2 vom Koppelgitter 1 entspricht dem Be­ trag der Brennweite der Streulinse 2, so daß der virtuelle Brennpunkt der Streulinse 2 in der Ebene des Koppelgitters 1 liegt.

In dieser ersten Ausführungsform ist die optische Achse der Streulinse 2 parallel zur op­ tischen Achse der Sammellinse 3 angeordnet. Die Streulinse 2 ist senkrecht zur opti­ schen Achse bewegbar. Der Durchmesser der Streulinse 2 ist kleiner als der Durchmes­ ser der Sammellinse 3.

Nachfolgend wird die Funktion der ersten Ausführungsform erläutert. Treffen die paral­ lelen Lichtstrahlen von der nicht gezeigten Lichtquelle auf die Sammellinse 3, werden diese auf den Brennpunkt der Sammellinse 3 fokussiert. Ein Teil dieser Brennstrahlen trifft auf die Streulinse 2, deren virtueller Brennpunkt ebenfalls in der Ebene des Koppel­ gitters 1 liegt. Hinter der Streulinse 2 treten nahezu parallele Lichtstrahlen aus, die unter einem Winkel ϕ auf das Koppelgitter 1 auftreffen. Wird nun die Streulinse 2 senkrecht zur optischen Achse verschoben, ändert sich der Winkel ϕ der parallelen Lichtstrahlen aber der ausgeleuchtete Bereich des Koppelgitters 1 bleibt nahezu konstant, wie dies aus den Fig. 1a und 1b ersichtlich ist. Dabei ist der Winkel ϕ abhängig von der Verschie­ bung x der Streulinse 2 gegenüber der optischen Achse der Sammellinse 3. Durch eine Steuervorrichtung (nicht gezeigt) wird die Lage der Streulinse 2 verändert und somit der Winkel des Lichts, das auf das Koppelgitter 1 auftritt, verändert.

Mit der Vorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform ist es somit möglich, den Licht­ einfallswinkel durch einfaches Verschieben der Streulinse 2 zu variieren, wobei der aus­ geleuchtete Bereich des Koppelgitters gleich bleibt und die übrigen Teile der Vorrichtung, insbesondere der Wellenleiter, mit dem Koppelgitter 1 nicht bewegt werden.

Die genannte Vorrichtung kann dazu verwendet werden, um den Koppelwinkel an unter­ schiedliche Koppelgitter verschiedener Wellenleiter anzupassen, um z. B. Fertigungstole­ ranzen auszugleichen. Weiterhin kann diese Vorrichtung verwendet werden, um den optimalen Kopplungswinkel zu ermitteln, um Aussagen über die Eigenschaften des Kop­ pelgitters und eines eventuell darauf befindlichen Mediums zu treffen. Dazu ist es not­ wendig, die genannte Vorrichtung durch eine weitere Vorrichtung zu ergänzen, welche die Effektivität der Lichteinkopplung zu den Wellenleiter bestimmt und somit den Kop­ pelwinkel zu optimieren.

Fig. 2a und 2b zeigen das Prinzip einer zweiten Ausführungsform einer Vorrichtung zum Einkoppeln von Licht in einen Wellenleiter durch ein Koppelgitter 1. Dabei entsprechen die Anordnung und die Abmessungen der Sammellinse 3, der Streulinse 2 und des Kop­ pelgitters 1 denen der ersten Ausführungsform. Somit wird an dieser Stelle auf die Aus­ führungen, die in Verbindung mit der ersten Ausführungsform gemacht wurden, verwie­ sen, und mit Bezug auf die zweite Ausführungsform auf diese verzichtet.

Wie in der ersten Ausführungsform gezeigt, treffen die Lichtstrahlen, die aus der Sam­ mellinse 3 austreten und nicht durch die Streulinse 2 fallen, im Brennpunkt auf das Kop­ pelgitter 1. Diese zusätzlichen Lichtstrahlen, die im Brennpunkt der Sammellinse 2 auf das Koppelgitter 1 einfallen, können unter bestimmten Umständen unerwünscht sein. Um dies zu vermeiden zeigt die zweite Ausführungsform eine Blende 5a, die zwischen der Streulinse 2 und der Sammellinse 3 angeordnet ist. Dabei weist die Blende eine Öff­ nung auf, deren Durchmesser entsprechend dem Durchmesser der Streulinse 2 gewählt ist. Der Durchmesser dieser Öffnung in der Blende 5a kann auch so gewählt werden, daß er mit einem vorgegebenen Bereich der Streulinse 2 korrespondiert. Die Blende 5a ist so gestaltet, daß sie die Lichtstrahlen, die aus der Sammellinse 3 austreten und nicht durch die Streulinse 2 gehen, ausblendet, so daß nur das parallele Licht, das aus der Streulinse 2 austritt, auf das Koppelgitter 1 trifft.

Die Funktion der zweiten Ausführungsform ist ähnlich der der ersten Ausführungsform. Zusätzlich wird die Blende 5a entsprechend der Bewegung der Streulinse 2 mitgeführt, um so nur den gewünschten Bereich der Lichtstrahlen in Abhängigkeit des jeweils ge­ wählten Winkels γ auf das Koppelgitter 1 treffen zu lassen.

Die Fig. 3a und 3b zeigen das Prinzip einer dritten Ausführungsform einer Vorrichtung zum Einkoppeln von Licht in einen Wellenleiter durch ein Koppelgitter 1. Diese Vorrich­ tung ist in ihrem Aufbau und in ihrer Funktion ähnlich der Vorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Bei der Vorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform ist eine Blende 5b so angeordnet, daß sich die Sammellinse 2 in einer Öffnung der Blende 5b befindet. Entsprechend der Funk­ tion, wie sie bereits mit Bezug auf die erste und zweite Ausführungsform erläutert wurde, wird die Blende 5b zusammen mit der Streulinse 2 bewegt, um unterschiedliche Winkel γ des aus der Streulinse 2 austretenden parallelen Lichts einzustellen.

Die Fig. 4a und 4b zeigen das Prinzip einer vierten Ausführungsform einer Vorrichtung zum Einkoppeln von Licht in einen Wellenleiter durch ein Koppelgitter 1. Auch diese Vor­ richtung entspricht in ihrem Aufbau bezüglich der Sammellinse 3, der Streulinse 2 und des Koppelgitters 1 dem Aufbau der vorgenannten Ausführungsformen. Bei der Vor­ richtung gemäß der vierten Ausführungsform ist eine Blende 5c vorgesehen, die sich zwischen der Streulinse 2 und dem Koppelgitter 1 befindet. Dabei weist die Blende 5c eine Öffnung auf, deren Abmessungen entsprechend der parallelen Lichtstrahlen, die aus der Linse 2 austreten, gewählt ist. Die übrigen Lichtstrahlen werden durch die Blen­ de 5c ausgeblendet, und somit trifft nur das parallele Licht, das aus der Streulinse 2 austritt, auf das Koppelgitter auf.

Die Blende 5c wird entsprechend der Bewegung der Streulinse 2 ebenfalls senkrecht zu der optischen Achse der Linse 3 bewegt.

Die Fig. 5a und 5b zeigen eine fünfte Ausführungsform einer Vorrichtung zum Einkop­ peln von Licht in einen Wellenleiter durch ein Koppelgitter 1. Die Anordnung und Lage der Sammellinse 3, der Streulinse 2 und des Koppelgitters 1 entsprechen dabei den An­ ordnungen und Abmessungen der genannten Elemente der Ausführungsformen 1 bis 4. Bei dieser fünften Ausführungsform ist eine Blende 5d zwischen der nicht gezeigten Lichtquelle und der Sammellinse 3 angeordnet. Diese Blende 5d weist eine Öffnung auf, deren Abmessungen so gewählt sind, daß sie mit den Abmessungen der Streulinse 2 korrespondieren. Durch diese Öffnung treffen nur die Lichtstrahlen auf die Sammellinse 3, die danach auf die Streulinse 2 treffen und nach dem Austritt aus der Streulinse 2 als parallele Lichtstrahlen auf das Koppelgitter 1 auftreffen. Die übrigen Strahlen, die von der Lichtquelle ausgesandt werden, werden ausgeblendet und treffen somit nicht auf die Sammellinse 3. Die Blende 5d wird entsprechend der Bewegung der Streulinse 2 eben­ falls senkrecht verschoben, um den Winkel der auf das Koppelgitter 1 auftreffenden pa­ rallelen Lichtstrahlen anzupassen.

Fig. 6a und 6b zeigen eine sechste Ausführungsform einer Vorrichtung zum Einkoppeln von Licht in einen Wellenleiter durch ein Koppelgitter 1. Bei dieser sechsten Ausfüh­ rungsform sind die Lage und Abmessungen der Sammellinse 3, der Streulinse 2 und des Koppelgitters 1 ebenso gewählt, wie die Lage und Abmessungen der entsprechenden Elemente der vorgenannten Ausführungsformen. Bei dieser sechsten Ausführungsform ist eine Blende 5e vorgesehen, die auf oder nahe bei dem Koppelgitter 1 angeordnet ist. Die Abmessungen dieser Blende, die auch als Spotblende bezeichnet werden kann, sind so gewählt, daß sie die Lichtstrahlen, die aus der Sammellinse 3 austreten und nicht durch die Streulinse 2 fallen, ausblendet. Darüber hinaus wird auch ein Teil des aus der Streulinse 2 austretenden parallelen Lichtes durch die Blende 5e ausgeblendet. Bei die­ ser sechsten Ausführungsform ist es als vorteilhaft anzusehen, daß die Blende 5e orts­ fest ist, d. h., sie muß nicht entsprechend der Bewegung der Streulinse 2 mitbewegt wer­ den, wenn der Winkel des auf das Koppelgitter eintreffenden parallelen Lichts verändert wird.

Die Fig. 7a und 7b zeigen eine siebte Ausführungsform der Vorrichtung zum Einkoppeln von Licht in einen Wellenleiter durch ein Koppelgitter 1. Dabei entsprechen Lage und Abmessungen der Sammellinse 3, der Streulinse 2 und des Koppelgitters 1 der Lage und den Abmessungen der vorgenannten Ausführungsbeispiele. Bei dieser siebten Ausführungsform ist die Lichtquelle so gewählt, daß die Abmessungen des von dieser Lichtquelle ausgesandten parallelen Lichtbündels mit den Abmessungen der Streulinse 2 korrespondieren, so daß alle Lichtstrahlen, die von der Lichtquelle auf die Sammellinse 3 treffen, auch auf die Streulinse 2 treffen und von dieser als parallele Lichtstrahlen auf das Koppelgitter 1 treffen. Wird nun die Streulinse 2 zur Veränderung des Lichteinfalls­ winkels des parallelen Lichts verschoben, so wird auch die Lichtquelle entsprechend die­ ser Verschiebung mit verschoben. Dabei genügt es das von der Lichtquelle ausgesandte Lichtbündel entsprechend zu verschieben. Somit kann die Vorrichtung gemäß der sieb­ ten Ausführungsform auf eine zusätzliche Blende verzichten.

Bei den vorgenannten Ausführungsformen 1 bis 7 wird die Streulinse 2 senkrecht zur optischen Achse der Sammellinse 3 bewegt. Dies führt insbesondere bei kleinen Winkel­ änderungen zu einer ausreichenden Parallelität und Lagekonstanz der auf das Koppel­ gitter 1 auftreffenden Lichtstrahlen, die von der Streulinse 2 austreten. Die Vorrichtungen 1 bis 7 können jedoch dahingehend abgewandelt werden, daß sich die Streulinse auf einer Kreisbahn bewegt, deren Mittelpunkt der auf dem Koppelgitter liegende Brenn­ punkt der Sammellinse 3 und des virtuellen Brennpunkts der Streulinse 2 ist, wobei der Radius dieser Kreisbewegung dem Betrag der Brennweite der Streulinse 2 entspricht. Die Kreisbewegung der Streulinse 2 eignet sich insbesondere für größere Winkelberei­ che.

Bei einer Kreisbewegung der Streulinse 2 in einer Vorrichtung, die im übrigen der zwei­ ten Ausführungsform entspricht, kann die Blende 5a weiterhin entsprechend der Lage der Streulinse 2 senkrecht zur optischen Achse der Sammellinse 3 bewegt werden oder ebenfalls eine Kreisbewegung entsprechend der Kreisbewegung der Streulinse 2 aus­ führen.

Bei einer Kreisbewegung der Streulinse 2 in einer Vorrichtung, die im übrigen der dritten Ausführungsform entspricht, ist es sinnvoll, die Blende 5b zusammen mit der Streulinse 2 auf einer Kreisbahn zu führen.

Bei einer Kreisbewegung der Streulinse 2 in einer Vorrichtung, die im übrigen der vierten Ausführungsform entspricht, kann ähnlich, wie bereits mit Bezug auf die zweite Ausfüh­ rungsform erwähnt, die Blende 5c senkrecht zur optischen Achse der Sammellinse 3 oder auf einer Kreisbahn bewegt werden.

Bei einer Kreisbewegung der Streulinse 2 auf einer Kreisbahn in einer Vorrichtung, die im übrigen der fünften Ausführungsform entspricht, wird die Blende 5d weiterhin senk­ recht zur optischen Achse der Sammellinse 3 bewegt.

Bei einer Kreisbewegung der Streulinse 2 in einer Vorrichtung, die im übrigen der sechsten Ausführungsform entspricht, sind weitere Änderungen nicht notwendig, da die Blende 5e ortsfest angeordnet ist.

Bei einer Kreisbewegung der Streulinse 2 in einer Vorrichtung, die im übrigen der siebten Ausführungsform entspricht, wird das von der Lichtquelle austretende Lichtbündel wei­ terhin parallel zu der ersten optischen Achse der Sammellinse 3 entsprechend der Lage der Streulinse 2 geführt.

Fig. 11 zeigt eine Modifikation der zweiten Ausführungsform. Die Anordnung der Sam­ mellinse 3, der Streulinse 2, der Blende 5a und des Koppelgitters 1 entspricht der An­ ordnung, wie sie in Verbindung mit der zweiten Ausführungsform beschrieben ist. Bei dieser modifizierten Ausführungsform ist eine Strahlaufweitungseinrichtung 6 vor der Sammellinse 3 angeordnet. Diese Strahlaufweitungseinrichtung 6 weist eine erste Sam­ mellinse 6a und eine zweite Sammellinse 6b auf. Der Abstand der ersten und zweiten Sammellinse 6a, 6b voneinander entspricht der Summe der Brennweiten f₃, f₄ der Linsen 6a, 6b. Wie in Fig. 11 gezeigt, trifft Licht parallel zur optischen Achse der Linsen zu­ nächst auf die erste Sammellinse 6a. Diese Lichtstrahlen werden durch die erste Sam­ mellinse 6a auf deren Brennpunkt fokussiert. Ein Brennpunkt der zweiten Sammellinse 6b liegt auf diesem Brennpunkt der ersten Sammellinse 6a.

Die Lichtstrahlen treffen nun von diesem Brennpunkt ausgehend auf die zweite Sammel­ linse 6b. Durch die spezielle Anordnung der Sammellinse 6a, 6b im Abstand der Summe der Brennweiten und den aufeinanderliegenden Brennpunkten treten die Lichtstrahlen parallel zur optischen Achse aus der zweiten Sammellinse 6b aus und treffen auf die Sammellinse 3. Wie aus der Fig. 11 deutlich wird, ist die Brennweite f₃ der ersten Sam­ mellinse 6a kleiner als die Brennweite f₄ der zweiten Sammellinse 6b. Somit weist das Lichtbündel, das aus der zweiten Sammellinse 6b austritt, eine größere Breite auf als das Lichtbündel, das auf die erste Sammellinse 6a eintrifft. Dies führt zu einer sogenannten Strahlaufweitung.

Dem Fachmann ist klar, daß durch eine entsprechende Wahl der Brennweiten der ersten und zweiten Sammellinse 6a, 6b der Strahlaufweitungseinrichtung 6 die Breite des auf die Sammellinse 3 eintreffenden parallelen Lichtbündels angepaßt werden kann.

Die parallelen Lichtstrahlen, die auf die Sammellinse 3 eintreffen, werden, wie in Verbin­ dung mit der ersten bis siebten Ausführungsform beschrieben, auf deren Brennpunkt fokussiert und treffen auf die Streulinse 2, die zwischen dem Koppelgitter und der Sam­ mellinse bewegbar im Abstand des Betrags ihrer Brennweite von dem Koppelgitter an­ geordnet ist. Die aus der Streulinse 2 austretenden parallelen Lichtstrahlen treffen unter einem vorgegebenen Winkel auf das Koppelgitter, wobei der Einfallswinkel dieser Licht­ strahlen auf die auszuleuchtende Fläche entsprechend der Bewegung der Streulinse 2 veränderbar ist.

Die Strahlaufweitungseinrichtung ist in Verbindung mit der zweiten Ausführungsform ge­ zeigt. Die Vorrichtungen gemäß der ersten und dritten bis siebten Ausführungsform las­ sen sich in entsprechender Weise ebenfalls mit einer Strahlaufweitungseinrichtung kom­ binieren.

Fig. 12 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer achten Ausführungsform. In dieser Ausfüh­ rungsform ist eine Sammellinse 6a vor der Sammellinse 3 angeordnet. Paralleles Licht, das auf die Sammellinse 6a trifft, wird auf deren Brennpunkt fokussiert. Die Lichtstrah­ len, die von diesem Punkt ausgehen, treffen auf die Sammellinse 3. Dieser Punkt ist im allgemeinen nicht identisch mit dem Brennpunkt der Sammellinse 3, so daß die Licht­ strahlen, die aus der Sammellinse 3 austreten, auf einen Punkt einer Bildebene der Sammellinse 3 fokussiert werden. Diese Bildebene ist im allgemeinen nicht identisch mit der Brennebene der Sammellinse 3. Das Koppelgitter 1 ist in dieser Bildebene angeord­ net. Zwischen der Sammellinse 3 und dem Koppelgitter 1 ist eine Streulinse 2 angeord­ net. Die Brennweite dieser Streulinse 2 ist betragsmäßig kleiner als die Brennweite der Streulinse 3. Der Abstand f₁ der Streulinse 2 vom Koppelgitter 1 entspricht dem Betrag der Brennweite der Streulinse 2, so daß der virtuelle Brennpunkt der Streulinse 2 in der Ebene des Koppelgitters 1 liegt. Durch diese Anordnung tritt das Licht im wesentlichen parallel aus der Streulinse 2 aus und trifft unter einem bestimmten Winkel auf das Kop­ pelgitter 1.

Dem Fachmann ist klar, daß durch die Wahl der Brennweiten der ersten Sammellinse 6a und der Sammellinse 3 und die Wahl der Abstände der Linsen 6a, 3 zueinander die Breite des Lichtbündels und die Lage des Koppelgitters relativ zu der Linsenanordnung angepaßt werden kann.

Fig. 12 zeigt die Streulinse in Verbindung mit der Blende 5a, deren Lage und Aufbau ähnlich der zweiten Ausführungsform ist. Somit ist auch in dieser Ausführungsform die Streulinse 2 im wesentlichen senkrecht zur optischen Achse bewegbar, um den Winkel der aus der Streulinse 2 austretenden und auf das Koppelgitter 1 auftreffenden Licht­ strahlen zu verändern, wobei die ausgeleuchtete Fläche auf dem Koppelgitter 1 im we­ sentlichen konstant bleibt. Die Vorrichtung gemäß dieser achten Ausführungsform kann auch ohne eine Blendeneinrichtung, ähnlich wie dies in der ersten Ausführungsform be­ schrieben ist, realisiert werden. Weiterhin können die Merkmale der Streulinsenlage und -bewegung sowie der Blendeneinrichtung der dritten bis siebten Ausführungsform auf diese achte Ausführungsform übertragen werden.

Die beschriebenen Ausführungsformen können zur Einkopplung von Licht in auswech­ selbare Wellenleiter verwendet werden, indem nach Einsetzen eines neuen Bauele­ mentes die Streulinse in einem, der bekannten Variation der Koppelwinkel entsprechen­ den Bereich, variert und gleichzeitig delektiert wird, ob und mit welcher Effizienz eine Einkopplung in den Wellenleiter vorliegt. Diese Überprüfung ist auf zwei Arten möglich. Entweder wird am Ausgang des Leiters das austretende Licht detektiert, oder es wird der Reflex an der Koppelstelle ausgewertet, der bei einer Einkopplung des Lichtes ein Mini­ mum aufweist. Nachdem ein Maximum der Koppeleffizienz detektiert wurde, wird der Einstrahlwinkel bei diesem Optimum festgehalten.

Die Anordnung kann weiterhin zur Auswertung eines Gitterkoppler-Sensors eingesetzt werden. Dann wird die Variation des Koppelwinkels eines Gitters unter dem Einfluß von chemischen Reaktionen auf der Oberfläche des Wellenleiters gemessen. In diesem Fall wird während der gesamten Messung die Position der Streulinse variiert und durch Detektion des transmittierten oder reflektierten Lichtes der zeitliche Verlauf des Koppelwin­ kels aufgenommen. Mit Schrittmotoren oder Piezokeramiken können so geringe Winkel­ änderungen detektiert werden, daß die effektive Brechzahl des Wellenleiter-Modus mit einer Auflösung von ca. 1 . 10^-6 bestimmt werden.

Als Beispiel sind nachfolgend Abmessungen für die vorgenannten Ausführungsformen genannt. Dabei weist die Streulinse eine Brennweite von -50 mm und die Blende eine Öffnung mit einem Durchmesser von 1,5 mm auf. Der Strahl dieses Durchmessers leuchtet ein Gitter von 1,5 mm × 1,5 mm aus. Die Streulinse ist im Abstand 50 mm vom Gitter angeordnet. Die Sammellinse mit der Brennweite 70 mm steht 20 mm hinter dem Zentrum der Streulinse. Der Durchmesser der Sammellinse entspricht dem Strahldurch­ messer von 10 mm. Damit kann die Streulinse und die Blende um 8,5 mm vor der Sam­ mellinse bewegt werden, was einer Winkeländerung des Eingangsstrahles von 9,6° ent­ spricht. Dieser Weg ist ausreichend, um Licht unter zwei verschiedenen Beugungsord­ nungen einzukoppelt (z. B. 1 und -1 oder 2 und -2), so daß die Bestimmung der Koppel­ winkel unabhängig von der Lage des Chips erfolgt. Zur Anpassung des Eingangswinkels an technologisch bedingte Schwankungen des Eingangswinkels ist typischerweise nur ein Winkelbereich von ca. 0.5° abzudecken, was mit einer Bewegung der Linse von ca. 430 µm erreicht werden kann.

Die Ausführungsbeispiele 1 bis 8 sind in Verbindung mit Streu- bzw. Sammellinsen, ins­ besondere idealen bzw. dünne Linsen, beschrieben. Bei Verwendung von realen bzw. dicken Linsen sind diese Ausführungsbeispiele ggf. durch den Fachmann und unter Be­ rücksichtigung der bekannten optischen Gesetze anzupassen. Weiterhin können bei entsprechender Anpassung anstelle der beschriebenen Linsen andere optische Ein­ richtungen, wie z. B. Fresnellinse, (fresnelsche) Zonenplatten, Beugungsgitter etc., ver­ wendet werden, die bezüglich ihrer optischen Eigenschaften gleiche oder ähnliche Ei­ genschaften aufweisen, wie die in den Ausführungsbeispielen beschriebenen Linsen.

Claims (21)

1. Vorrichtung zur Ausleuchtung einer Fläche unter einem veränderbaren Lichtein­ fallswinkel (ϕ), insbesondere zur Einkopplung von Licht in einen Lichtwellenleiter, wobei auf einer optischen Achse zwischen einer Lichtquelle und der auzuleuchtenden Fläche angeordnet sind:

• - eine Sammellinseneinrichtung (3), die das von der Lichtquelle ausgehende Licht in eine Brennebene bündelt,
• - eine Zerstreuungslinse (2), die zwischen der Sammellinseneinrichtung (3) und der auszuleuchtenden Fläche angeordnet ist und lediglich einen Teil des von der Sam­ mellinseneinrichtung (3) auf die auszuleuchtende Fläche gerichteten Strahlenbün­ dels aufnimmt und diesen Teil als ein zumindest nahezu paralleles Strahlenbündel auf die auszuleuchtende Fläche richtet, die sich sowohl in etwa in der Brenn­ ebene der Sammellinseneinrichtung (3) als auch in der virtuellen Brennebene der Zerstreuungslinse (2) befindet, wobei die Zerstreuungslinse (2) senkrecht zur opti­ schen Achse bewegbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Sammellinseneinrichtung eine einzige Sammellinse (3) ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Zerstreuungslinse (2) einen klei­ neren Durchmesser als die Sammellinseneinrichtung (3) in Abhängigkeit von der Größe des auszuleuchtenden Fläche aufweist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei eine Blendeneinrichtung (5a-e) mit einer Lichtdurchlaßöffnung vorgesehen ist, um einen nicht benötigten Teil des Lichts auszublenden.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Lage der Blendeneinrichtung (5a-d) in Abhängigkeit von der Lage der Zerstreuungslinse (2) veränderbar ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Blendeneinrichtung (5d) zwischen der Lichtquelle und der Sammellinseneinrichtung angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Blendeneinrichtung (5a) zwischen der Sammellinseneinrichtung (3) und der Zerstreuungslinse (2) angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Blendeneinrichtung (5e) zwischen der auszuleuchtenden Fläche und der Zerstreuungslinse (2) angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Zerstreuungslinse (2) in einer Lichtdurchlaßöffnung der Blendeneinrichtung (5b) angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Blendeneinrichtung (5e) im oder nahe des Brennpunkts der Sammellinseneinrichtung (3) auf oder nahe der auszuleuch­ tenden Fläche angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Lichtquelle lediglich einen Bereich der Sammellinseneinrichtung (3) ausleuchtet, dessen Breite in Abhängig­ keit von der auszuleuchtenden Fläche gewählt ist, wobei die Lichtquelle senkrecht zur optischen Achse in Abhängigkeit von der Lage der Zerstreuungslinse (2) bewegbar ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, um die Lage der Lichtquelle in Abhängigkeit von der Lage der Zerstreuungslinse (2) zu steu­ ern.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, wobei eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, um die Lage der Blendeneinrichtung (5a-d) in Abhängigkeit von der Lage der Zerstreuungslinse (2) zu steuern.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei eine optische Achse der Zerstreuungslinse (2) zur Veränderung des Lichteinfallswinkels (ϕ) senkrecht zur opti­ schen Achse der Sammellinseneinrichtung (3) bewegbar ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Zerstreuungslinse (2) zur Veränderung des Lichteinfallswinkels (ϕ) auf einer Kreisbahn bewegbar ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei der Mittelpunkt der Kreisbahn der Brenn­ punkt der Sammellinseneinrichtung (3) und der virtuelle Brennpunkt der Zerstreuungslin­ se (2) ist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, um die Lage der Zerstreuungslinse (2) in Abhängigkeit von dem ge­ wünschten Winkel (ϕ) der Lichteinstrahlung auf die Fläche zu steuern.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei eine Strahlaufweitungsein­ richtung (6) mit zumindest einer weiteren Sammellinse (6a, 6b) vorgesehen ist.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei die Lichtquelle ein Laser ist.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, wobei die Lichtquelle zur Abgabe des Lichts parallel zur optischen Achse vorgesehen ist.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, wobei die auszuleuchtende Flä­ che ein Koppelgitter (1) eines Wellenleiters ist, in den das Licht eingekoppelt wird.