CN100429533C - 用于进行光束变换的结构和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于进行光束变换的结构，它包括一个光源(1，18)—它可发出至少一个光束(3)，并且至少一个光束(3)在第一方向(Y)上具有比在与第一方向垂直的第二方向(X)上更大的发散度，准直装置(4，19)—它至少可减小至少一个光束(3)在第一方向(Y)上的发散度，用于光束变换的装置(5，21)—它在至少一个光束(3)的传播方向(Z)上被安置在准直装置(4，19)之后—其中装置(5，21)如此构造，使得通过装置(5，21)的至少一个光束(3)在第一方向(Y)上的发散与在第一方向垂直的第二方向(X)上的发散相交换，并且至少一个光束(3)的横截面在用于光束变换的装置(5，21)中被缩小。

Description

用于进行光束变换的结构和装置
技术领域
本发明涉及一种用于进行光束变换的结构，它包括至少一个可发出至少一束光束的光源，其中至少一个光束在第一方向上具有比在与此方向垂直的第二方向上更大的发散度，此结构具有一个准直装置，它至少可以减少至少一个光束在第一方向上的发散度，此结构还具有一个用于进行光束变换的装置，它在至少一个光束的传播方向上被设置在准直装置后面，并且该装置如此被构造，使得通过此装置的至少一个光束在第一方向上的发散与在与其垂直的第二方向上的发散进行交换。此外本发明还涉及一种用于进行光束变换的装置，它具有至少一个入射面和至少一个出射面，并且此装置如此被构造，使得通过此装置的光束在第一方向上的发散与在与其垂直的第二方向上的发散进行交换。
背景技术
上述方式的结构和装置已被欧州专利申请EP1006382A1公开。其中所述的装置包括例如一个由透明材料构成的基体，它具有入射面和出射面。不仅入射面，而且出射面也被设计基本呈矩形和纵向延伸的。入射面和出射面的纵向延伸基本是在第二方向上。如果光源是一个激光二极管条块，第二方向相应于这样的方向：在此方向上相邻且有间距地排列着激光二极管条块的各个发射器。发散度较小的方向被称为慢轴。与其垂直的第一方向是更大发散度的方向，在半导体激光二极管条块情况下此方向被称为快轴。
在上述现有技术所公开的装置中不仅在入射面，而且在出射面上还具有多个柱面透镜，它们的圆柱轴全部相互平行。入射面和出射面上的柱面透镜的圆柱轴在不仅与慢轴而且也与快轴形成45°或-45°角。一个由激光二极管条块的一个发射段发出的光束-它起初以直线在慢轴方向上传播-在行进中被现有技术中已知的用于光束变换的装置偏转90°，使得此光束在通过此装置的行进过程后直线地在快轴方向上传播。这种装置给出了以下优点：通过各个光束的偏转避免了各个光束在慢轴方向上的重叠。
作为现有技术中已知的这种装置的缺点，光束的横截面在行进中被此装置随之放大了，这是因为全部相互平行的柱面透镜只在垂直于传播方向的方向上影响光束，而与此方向垂直的方向不受此装置或此装置的柱面透镜的任何影响。从而光束在此方向上相互独立行进，使得通过此装置的各个分光束在通过之后很难聚焦到一个公共的焦点上。此外其原因还在于，对于垂直于传播方向的那个方向，在此装置后面例如被设计为激光二极管条块的光源的各个发射器被成像，而对于垂直于传播方向和上述方向的方向则没有此情况。此外，通过此装置时发生的光束展宽会导致各分光束至少部分地重叠，使得仅由此原因已不可能使全部分光束在一个公共聚焦区上清晰聚焦。
发明内容
本发明所要解决的问题在于给出本说明书开始对所述类型的结构和装置，它们使得在通过此装置后可以更好地聚焦光束。
按照本发明，提供了一种用于进行光束变换的结构，它包括：至少一个光源，它能发出至少一个光束，其中至少一个光束在第一方向上比在与第一方向垂直的第二方向上具有更大的发散度；准直装置，它至少可减小至少一个光束在第一方向上的发散度；用于进行光束变换的装置，它在至少一个光束的传播方向上被设置在准直装置之后，其中用于进行光束变换的装置如此构造，使得通过用于进行光束变换的装置的至少一个光束在第一方向上的发散与在与第一方向垂直的第二方向上的发散相交换，其中所述用于进行光束变换的装置包括两个部分，它们分别具有一个入射面和一个出射面，并且在两个部分的每个入射面和出射面上设置多个柱面透镜；其中用于进行光束变换的装置如此构造，使得它可以相对于两个相互垂直并垂直于至少一个光束的传播方向的方向在一个平面中形成至少一个被它变换的光束的像，并且在所述两个部分的两个面上的柱面透镜垂直于这两部分的另外两个面上的柱面透镜设置。通过这个至少一个光束在此装置中的缩小可以有效地避免多个通过此装置的光束在通过此装置后或在通过此装置后的短距离内相互重叠。这种缩小可以例如在相互垂直并与传播方向垂直的两个方向上有同样的强度，尤其是对应约为2的因子。
另外按照本发明，还提供了一种用在上述结构中的用于进行光束变换的装置，所述用于进行光束变换的装置包括两个部分，它们分别具有一个入射面和一个出射面，并且在两个部分的每个入射面和出射面上设置多个柱面透镜；其中所述用于进行光束变换的装置如此构造，使得通过用于进行光束变换的装置的至少一个光束在第一方向上的发散与在与第一方向垂直的第二方向上的发散相交换，其中在所述两个部分的两个面上的柱面透镜垂直于这两部分的另外两个面上的柱面透镜设置，并且用于进行光束变换的装置如此构造，使得它可以相对于两个相互垂直并垂直于至少一个光束的传播方向的方向在一个平面中形成至少一个被它变换的光束的像。通过对于两个相互垂直方向在一个平面中形成一个像，明显优化了对于这两个相互垂直方向上光束的聚焦能力。尤其是此射线可以没有附加成像误差地聚焦。
按照本发明的一个实施例，可以形成被变换光束的像的那个平面是垂直于传播方向的平面。
按照本发明的一个实施例，此结构在至少一个光束的传播方向上、在用于进行光束变换的装置之后包括用于至少一个光束的准直和/或聚焦的准直装置和/或聚焦装置。
此外，按照本发明的一个实施例，至少一个光源被设计为半导体激光装置，尤其是半导体激光二极管条块。
按照本发明的一个实施例，在此装置的至少一个入射面和/或出射面上设置多个柱面透镜。
按照本发明的一个实施例，柱面透镜与第二方向形成+45°和/或-45°的角。
此外，按照本发明的一个实施例，此装置的至少一个入射面和/或至少一个出射面具有基本上纵向延伸、最好为矩形的形状，并且入射面和/或出射面的纵向延伸基本对应于第二方向。
按照本发明的一个实施例，所述装置的入射面和/或出射面中至少一个面具有多个凹柱面透镜。尤其是通过可以串接排列的凹面和凸面的柱面透镜组合可以实现对于两个相互垂直的方向能在同一平面中成像。
按照本发明的一个实施例，对于所述两个部分中的至少一个部分，多个柱面透镜在其入射面和/或出射面上的焦距是不同的。通过串接排列的柱面透镜的不同焦距可实现例如在望远镜范围内实现光束横截面的缩小。望远镜可以如此实现：在各部分的入射面和出射面上的柱面透镜间的距离对应于这些柱面透镜的焦距之和。
按照本发明的一个实施例，至少一个部分的柱面透镜的焦距是相应部分的另一些柱面透镜的焦距的整数倍。通过如此选择焦距可以实现至少一个通过此装置的光束的整数缩小。
附图说明
借助下面参照附图对优选实施例的说明可进一步说明本发明的特点和优点。附图中：
图1a是本发明用于进行光束变换的结构的侧视图；
图1b是图1a所示结构的俯视图；
图2是本发明用于进行光束变换的装置的透视图；
图3a是沿图2中箭头IIIa-IIIa的剖面图；
图3b是沿图2中箭头IIIb-IIIb的剖面图；
图4a是在图3a的成像平面中通过本发明装置的光束行进路线例；
图4b是在图3b的成像平面中通过本发明装置的光束行进路线例；
图5是通过图2所示装置前后光束的横截面；
图6是本发明结构的另一实施例的透视图；
图7是图6所示其后具有准直装置的用于进行光束变换的装置的后视图。
具体实施方式
在图1a至图7中示出了改进的定向卡笛尔座标系。
在图1a和图1b中所示的本发明的结构的实施方式包括一个设计为激光二极管条块的光源1，它具有相邻排列在X方向上并在X方向有相互间距的发射段。从各发射段2发出的光束在对应于Y方向的第一方向上具有比在对应于X方向的第二方向上更大的发散度。通常称更大发散度的方向为“快轴”，称较小发散度的方向为“慢轴”。
在传播方向Z上，在发射段2之后所示结构包括一个设计成快轴准直透镜的准直装置4。此准直装置4可以是一个平凸柱面透镜，其圆柱轴沿X方向延伸。尤其是此柱面透镜可具有非常小的焦距并设置在非常靠近发送段2的地方。
在传播方向Z上，在准直装置4之后设置了根据本发明的用于进行光束变换的装置5，此装置5在所示实施例中由两个分开的部分6，7构成，这两个部分前后放置在传播方向Z上，并分别具有一个入射面和一个出射面。装置5将在下面参考图2至图5详细说明。
光束3中的每一个光束在装置5中如此被变换，使得其横截面被缩小，并且同时X方向的发散与Y方向的发散被交换。这使得各光束3在X方向上的相互距离明显增大。从而在各光束3之间形成不被光线填充的区域。为了能获得更好的聚焦能力，使所有光束3聚焦到例如一点上，在传播方向Z上，在装置5之后设置一个透镜阵列8，它可以不仅在入射面上，而且也在出射面上具有透镜9，10。透镜9，10为柱面透镜，其圆柱轴沿Y轴延伸。通过此透镜阵列8各光束被展宽，使得各光束之间在X方向的距离明显减小。
在传播方向Z上透镜阵列8之后可以设置一个准直透镜11，它例如包括一个柱面透镜，其圆柱轴沿X方向延伸。由图1a和图1b可见，各光束12在通过装置5之后在X方向上、并且在原来的慢轴方向上没有或仅限于衍射的发散，而各光束12在Y方向上、并且在原来的快轴方向上具有发散，它对应于通过装置5之前原光束在慢轴方向上的发散。在通过装置5后在慢轴方向上的发散与在快轴方向上的发散交换。因此通过准直透镜11可以去除在快轴方向上的残留发散。从准直透镜11出来的光束12是基本平行的光线，它可以非常简单地被聚焦。
由图1a和图1b可见，光束12不仅在X方向上而且在Y方向上基本同样地传播。从而光束12可以用一个在正的Z方向上在准直透镜11之后设置的聚焦透镜29非常有效地聚焦到一根玻璃纤维30的入射面上。
如由图2所示，用于进行光束变换的装置5由第一部分6和第二部分7组成。部分6在其入射面上具有多个柱面透镜13，其圆柱轴以α＝45°的角度相对于X轴倾斜。在所示实施例中只示出6个柱面透镜13。然而存在更多的柱面透镜13的可能性。图2仅作为简化描述。
在部分6的出射面上同样具有多个柱面透镜14，其圆柱轴同样以α＝45°的角度相对于X轴倾斜。还是由图3a可见，不仅柱面透镜13，而且柱面透镜14被设计为凸面的。图3a示出图2中沿Y’方向的剖面图。相反图3b示出旋转90°的视图，即沿着图2所示X’方向的剖面图。相应地，柱面透镜13，14的圆柱轴在X’方向上延伸。
装置5的第二部分7在其入射面上同样具有凸面的柱面透镜15。然而此柱面透镜15的圆柱轴以与X方向成135°角度的方向并沿着Y’方向延伸。
部分7在其出射面上具有凹面的柱面透镜16，它们的相互平行排列的圆柱轴同样与X方向形成135°角度，并且同样沿Y’方向延伸。
由图4a和图4b可见各个柱面透镜13，14，15，16的焦距。特别是，f1表示第一柱面透镜13的焦距，f2表示第二柱面透镜14的焦距，这里f1＝2＊f2。f3表示第三柱面透镜15的焦距，这里f3＝2＊f1+2＊f2。f4表示第四柱面透镜16的焦距，这里f3＝2＊f4。
尤其是这里部分6，7如此设置，使得设置在部分6出射面上的第二柱面透镜14与设置在部分7入射面上的第三柱面透镜15之间的距离对应于第二柱面透镜14的焦距f2。
在Z方向上第一柱面透镜13至第二柱面透镜14的光学距离对应于柱面透镜13，14的两个焦距f1、f2之和。这由图4a清楚可见。在Z方向上第三柱面透镜15至第四柱面透镜16的光学距离对应于第四柱面透镜16的焦距f4。这由图4b清楚可见。
由图4a和4b可详细得知装置5的成像过程。特别是在图4a和4b中柱面透镜13，14，15，16简示为带有箭头的线条。在相应透镜系统的用附图标记17表示的光轴上，各透镜的聚焦点用十字叉号表示。在图4a和图4b之间补充示出各个焦距f1，f2，f3，f4的位置。
这里应该说明，第一柱面透镜13和第二柱面透镜14由于其圆柱轴指向X’方向而对光束在X’方向上至光轴的距离没有影响。因此在图4b中没有示出装置5的第一部分6的柱面透镜13，14。类似地，第二部分的第三柱面透镜15和第四柱面透镜16由于它们的圆柱轴指向Y’方向而对图4a所示在Y’方向上与光学轴有间距的光束没有影响，从而在图4a中没有示出第二部分7的柱面透镜15，16。因而第一部分6的柱面透镜13，14仅在Y’方向上起透镜作用，而在X’方向上对通过它们的光束没有影响。相应地，第二部分7的柱面透镜15，16仅在X’方向上对通过它们的光束起作用，而在Y’方向上对通过它们的光束没有影响。
由图4a可见，在Y’方向上与光轴17距离为GY的点-它在Z方向上与柱面透镜13的间距对应于第一柱面透镜13的焦距f1-被由柱面透镜13，14所构成的成像系统成像在一个点上，这个点在Y’方向上与光轴17有距离By。此成像点By在Z方向上位于第二柱面透镜14之后的一个距离处，此距离对应第二柱面透镜14的焦距f2。
图4b示出在X’方向上与光轴17距离为Gx的点通过由第三和第四柱面透镜15，16构成的成像系统的成像情况。由于第四柱面透镜16是发散透镜，通过图4b所示成像系统形成的是一个虚像，此虚像在所示实施例中在Z方向上精确地处于与第三柱面透镜15所在位置相同的位置上。此虚像在X’方向上与光轴有一个距离，它是距离GX的一半。因而由第三和第四柱面透镜15，16构成的成像系统使通成像系统的光束的横截面缩小一个因子2。此外由图4b可见，虚像在X’方向上位于光轴17的同一侧，从而可以证明此成像对应于M＝+1/2。
相反，在由第一和第二柱面透镜13，14构成的成像系统中在光轴17的相反一侧上形成一个缩小的图像。尤其是这里距离GY是距离BY的两倍，因而可以说明此成像对应于M＝-1/2。
作为本发明装置5很大的优点，不仅图4a所示由第一和第二柱面透镜13，14构成的成像系统的成像，而且图4b所示由第三和第四柱面透镜15，16构成的成像系统的成像位于相同的X’-Y’平面或X-Y平面上，并从而相对于Z方向在同一平面上。这样对于传播方向Z在可预定位置上形成图像，它不仅对于X’方向，而且对于Y’方向具有可预先给定的特性。此图像可以非常简单地被后续的透镜装置准直或聚焦。
在本发明的装置中最终不取决于透镜13，14，15，16在什么位置，而是两个在X’方向和Y’方向产生的图像在相同的X’-Y’平面或相同的X-Y平面中。例如图像BX不一定精确地形成在柱面透镜15所在的Z位置上。此图像BX可以形成在柱面透镜15的后面或前面。
此外存在以下可能：装置5的两个部分6，7在它们的入射面和出射面上都具有柱面透镜，它们的透镜轴相互垂直。例如一个仅作用于X’方向的柱面透镜-如柱面透镜15-被设置在第一部分6的出射面上，而一个仅作用于Y’方向的柱面透镜-如柱面透镜14可设置在第二部分7的入射面上。必须保证的只是，基于所选用的焦距f1，f2，f3，f4和柱面透镜13，14，15，16的相应位置，对于X’方向或Y’方向形成的图像BX和BY形成在垂直于Z方向的相同平面上。
图5也简要示出了通过装置5之前的光束3的横截面和通过装置5之后光束12的横截面。显见光束3的横截面在两个方向上约被减半。图5示出在通过装置5之前光束3具有基本呈矩形的模截面。此矩形横截面的角用字母a，b，c，d表示。
通过装置5之后的光束12的横截面同样为矩形，此矩形的角用字母a＊，b＊，c＊，d＊表示。可见原来光束3的横截面是X方向为长边的矩形，通过装置之后变换为光束12的横截面，即Y方向为长边的矩形。此外横截面的缩小是显而易见的。由装置5完成的光束变换已对光束3或光束12实现了围绕传播方向Z的90°旋转，紧接着通过镜面反射作用在一个与传播方向Z平行的平面上，此平面通过Y方向。最终对光束3或光束12进行的光束变换除了缩小横截面外还完成了在慢轴方向(X方向)和在快轴方向(Y方向)上发散的变换。在现有技术已知的用于光束变换的装置中这通常通过简单地偏转90°实现。
图6示出本发明结构的另一实施方式，它在原理上非常类似于图1a和图1b所示结构。特别是这里光源18被设计为具有相等大小冷却体的半导体激光装置。半导体激光元件在图6中未示出。此外聚焦透镜29和玻璃纤维30也未示出。一个准直装置19连接在光源18上，它被设计成均匀延伸的玻璃基体，在其中构造了用作快轴准直透镜的柱面透镜20。
在光束方向或Z方向上接着设置有一个根据本发明的用于光束变换的装置21。此装置同样由两部分22，23组成，像装置5的部分6，7那样，这两部分不仅在入射面上而且在出射面上也具有柱面透镜，它们在原理上对应于图3a和图3b中示出的柱面透镜13，14，15，16。
在正的Z方向上接着设置一个透镜阵列24，它只在其出射面上具有柱面透镜。
在正的Z方向上接着设置一个准直透镜25，它基本对应于准直透镜11。
图7还示出装置21的两个部分22，23和准直装置19一起在负的Z方向上的视图。由图可见，各柱面透镜-其中在部分22的出射面上的柱面透镜26和在部件23的出射面上的柱面透镜27用附图标记表示-具有基本为正方形的孔28，这些孔在Z方向上与准直装置19的柱面透镜20对准。半导体激光器的光线必须通过这些相对较小的正方形孔28，使得在通过装置21或装置5时光束3的横截面明显缩小。

Claims (14)

1.用于进行光束变换的结构，它包括：
-至少一个光源(1，18)，它能发出至少一个光束(3)，其中至少一个光束(3)在第一方向(Y)上比在与第一方向垂直的第二方向(X)上具有更大的发散度；
-准直装置(4，19)，它至少可减小至少一个光束(3)在第一方向(Y)上的发散度；
-用于进行光束变换的装置(5，21)，它在至少一个光束(3)的传播方向(Z)上被设置在准直装置(4，19)之后，其中用于进行光束变换的装置(5，21)如此构造，使得通过用于进行光束变换的装置(5，21)的至少一个光束(3)在第一方向(Y)上的发散与在与第一方向垂直的第二方向(X)上的发散相交换，其中所述用于进行光束变换的装置包括两个部分(6，7；22，23)，它们分别具有一个入射面和一个出射面，并且在两个部分(6，7；22，23)的每个入射面和出射面上设置多个柱面透镜；
其特征在于，用于进行光束变换的装置(5，21)如此构造，使得它可以相对于两个相互垂直并垂直于至少一个光束(3)的传播方向(Z)的方向(X’，Y’)在一个平面中形成至少一个被它变换的光束(3)的像，并且在所述两个部分(6，7；22，23)的两个面上的柱面透镜(13，14)垂直于这两部分(6，7；22，23)的另外两个面上的柱面透镜设置。
2.如权利要求1所述的结构，其特征在于，用于进行光束变换的装置(5，21)如此构造，使得至少一个光束(3)的横截面在用于进行光束变换的装置(5，21)中被缩小。
3.如权利要求1所述的结构，其特征在于，形成被变换的光束(3)的像的平面是一个垂直于所述传播方向(Z)的平面。
4.如权利要求1所述的结构，其特征在于，此结构在至少一个光束(3)的传播方向(Z)上在用于进行光束变换的装置(5，21)之后包括用于对至少一个光束(3，12)进行准直和/或聚焦的准直装置和/或聚焦装置。
5.如权利要求1所述的结构，其特征在于，至少一个光源(1，18)被设计为半导体激光装置。
6.如权利要求5所述的结构，其特征在于，至少一个光源(1，18)被设计为半导体激光二极管条块。
7.用在如权利要求1至6中任一项所述的结构中的用于进行光束变换的装置，所述用于进行光束变换的装置包括两个部分(6，7；22，23)，它们分别具有一个入射面和一个出射面，并且在两个部分(6，7；22，23)的每个入射面和出射面上设置多个柱面透镜；其中所述用于进行光束变换的装置(5，21)如此构造，使得通过用于进行光束变换的装置(5，21)的至少一个光束(3)在第一方向(Y)上的发散与在与第一方向垂直的第二方向(X)上的发散相交换，其特征在于，在所述两个部分(6，7；22，23)的两个面上的柱面透镜(13，14)垂直于这两部分(6，7；22，23)的另外两个面上的柱面透镜设置，并且用于进行光束变换的装置(5，21)如此构造，使得它可以相对于两个相互垂直并垂直于至少一个光束(3)的传播方向(Z)的方向(X’，Y’)在一个平面中形成至少一个被它变换的光束(3)的像。
8.如权利要求7所述的用于进行光束变换的装置，其特征在于，用于进行光束变换的装置(5，21)如此构造，使得至少一个光束(3)的横截面在用于进行光束变换的装置(5，21)中被缩小。
9.如权利要求7所述的用于进行光束变换的装置，其特征在于，形成被变换的光束(3)的像的平面是一个垂直于所述传播方向(Z)的平面。
10.如权利要求7所述的用于进行光束变换的装置，其特征在于，柱面透镜(13，14，15，16)与第二方向(X)间以+45°和/或-45°的角(α)安置。
11.如权利要求7所述的用于进行光束变换的装置，其特征在于，用于进行光束变换的装置(5，21)的至少一个入射面和/或至少一个出射面具有一个有长边的形状，其中入射面和/或出射面的长边方向对应于第二方向(X)。
12.如权利要求7所述的用于进行光束变换的装置，其特征在于，用于进行光束变换的装置(5，21)的至少一个入射面和/或出射面设置有多个凹柱面透镜(16)。
13.如权利要求7所述的用于进行光束变换的装置，其特征在于，对于两个部分(6，7；22，23)中的至少一个部分，在其入射面和/或出射面上的柱面透镜(13，14，15，16)的焦距是不同的。
14.如权利要求13所述的用于进行光束变换的装置，其特征在于，两个部分(6，7；22，23)中的至少一个部分的入射面上的柱面透镜(13，15)的焦距是同一部分(6，7；22，23)的出射面上的柱面透镜(14，16)的焦距的整数倍。
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