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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.
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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.
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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.
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Das
der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Problem ist die Schaffung
einer Vorrichtung der eingangs genannten Art, die einfacher aufgebaut ist.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Vorteilhafterweise
kann somit die Vorrichtung derart gestaltet sein, dass ein Lichtstrahl
mit einer Gauss-Verteilung oder einer Gaussähnlichen 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.
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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.
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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.
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Hierzu
kann es sich als vorteilhaft erweisen, dass die zwei Linsenmittel
einen Abstand zueinander aufweisen, der etwa der Summe ihrer Brennweiten entspricht.
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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.
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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.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich
anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Darin zeigen
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1 eine schematische Seitenansicht
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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2 eine Detailansicht des
Transformationsmittels der Vorrichtung gemäß 1;
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3 schematisch die Verteilung
eines ersten Lichtstrahls in unterschiedlichen Ebenen während des
Durchtritts durch die Vorrichtung gemäß 1;
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4 eine 3 entsprechende Ansicht auf Verteilungen
eines zweiten Lichtstrahls;
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5 eine schematische Seitenansicht
einer weiteren Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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6. eine 2 entsprechende Detailansicht einer weiteren
Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Aus 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.
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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.
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In 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.
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Aus 2 ist ersichtlich, dass
ein auf das Transformationsmittel 1 von links in 2 auftreffender Lichtstrahl 5 auf
die Mantelfläche 6 des
Transformationsmittels 1 von außen auftrifft und in einen transformierten
Lichtstrahl 7 reflektiert wird. In 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.
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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 1 in der Ebene
B virtuell eingezeichneten punktförmigen Lichtquelle ausgeht.
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Die
in 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 1 schraffiert
dargestellt.
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Diese
Verhältnisse
sind in 3 noch einmal verdeutlicht.
Das linke Bild in 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.
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Aus 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 ≠ 0
verkleinert werden. Dies kann für
einige Anwendungen von Vorteil sein.
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Aus 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 5 einfallender
kollimierter Lichtstrahl durch das erste Linsenmittel 3 auf
einen virtuellen Punkt in der Ebene B fokussiert. Die in 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.
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Aus 6 ist eine weitere Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung
ersichtlich, bei der ebenfalls gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen
versehen sind. Von links in 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 1 und 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.
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Im
Unterschied zu den Ausführungsformen gemäß 1 und 5 umfasst die Vorrichtung gemäß 6 einen Hohlzylinder mit
einer inneren reflektierenden Fläche 8,
die in 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 6 nicht abgebildet.
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In 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 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.