CN101095067A - 分束器设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种分束器设备，其包括至少一个分束装置，所述分束装置适用于将光束分成多个子光束，其中所述分束装置包括至少一个第一光学阵列和至少一个第二光学阵列(1，2)，它们彼此间隔一段距离并具有多个光功能元件，其中第一光学阵列(1)中的整数倍的光功能元件与第二光学阵列中的一个光功能元件分别对应。

Description

分束器设备
本发明涉及一种分束器设备，其包括至少一个适用于将光束分成多个子光束的分束装置。
由现有技术中已知了不同实现方式的前述类型的分束器设备。例如可借助于能够用作分束装置的部分透光镜面将光束分成两个子光束。为了能够生成大量的子光束，相应地需要多个作为分束装置的部分透光镜面。为了能够将辐射功率尽可能精确地划分到单个的子光束上，需要非常昂贵和精密的镜面涂层。同样，由现有技术还已知了这样的分束器设备，其借助偏振光学元件或者借助部分设置在光路中的镜面来工作。这种分束器设备同样也需要非常多的单个元件，用于产生大量的子光束。
重要的技术应用，例如对工件的同时进行的激光钻孔或者借助激光射线的传感探头阵列测量，需要将最初的激光射线分成大量的子光束。这通过上面描述的分束装置只能以非常高昂的代价来实现。
为了能用相对较少的单个光学元件产生非常多的子光束，开发出了所谓的衍射分束装置。这种衍射分束装置的一个例子在期刊“LaserFocus World”(2003年12月，第73至75页)中给出。这些在其设计和制造方面开销很大的构件能够非常均匀和精确地将一个光束分成多个子光束。现有技术中已知的这种衍射分束装置的缺点在于，其效率的数量级仅仅是大约80％，因为最初射入的光线的大部分通过大量的散射和绕射而损耗掉了。这种衍射分束装置的相对比较敏锐的构造可能尤其是在较高的光强下会减少牢固性和使用寿命。
这里提出了本发明。
本发明的任务是提供一种如开始所述类型的分束器设备，它可以简单且廉价地制造，并能以很小的损耗将光束或其它电磁射线相对均匀地分成多个子射线。
这一任务通过具有权利要求1所述区别技术特征的、如开始所述类型的分束器设备来实现。本发明建议：所述分束装置包括至少一个第一光学阵列和至少一个第二光学阵列，它们彼此间隔一段距离并具有多个光功能元件，其中第一光学阵列中的整数倍的光功能元件与第二光学阵列中的一个光功能元件分别对应。这样，将出现在分束器设备上的光束分成多个单个的子光束，另一方面，其中所生成的子光束的数目取决于第一光学阵列中与第二光学阵列中的一个光功能元件分别对应的光功能元件的数目。为了能够满足这种对应条件，第一光学阵列中的光功能元件的直径小于第二光学阵列中光功能元件的直径。也可以通过另外的方式来满足这种对应条件，例如通过光学阵列中光功能元件的特定造型。
在一个特别优选的实施方式中，光学阵列中的光功能元件是透镜元件。具有透镜元件的光学阵列可以以很高的精度相对简单且廉价地制造。在这种实施方式中，出现在分束器设备上的光束可以借助于第一光学阵列中的透镜元件被划分成多个子光束，这些子光束在第一光学阵列的透镜元件的焦平面上成像。然后放入同样具有透镜元件的第二光学阵列，作为傅立叶光学元件。然后在第二光学阵列的每个单个透镜元件的远场内生成一种光强角分布，这种角分布对应于第二光学阵列前面的相应透镜元件的焦平面内的光强分布。
在一种特别优选的实施方式中建议，如此设置光学阵列，使得第二光学阵列的透镜元件和第一光学阵列中与之相对应的透镜元件具有共同的焦平面。通过这种方式能够在第二光学阵列的远场中生成具有很小的发散度和不同扩展角的子光束。
优选地，至少一部分透镜元件被设计为凸透镜。在这种情况下，入射到分束器设备上的光束被分成多个子光束是以实像方式实现的。
在一种作为替代的实施方式中，至少一部分透镜元件可以被设计为凹透镜。此时落到分束器设备上的光束被分成多个子光束是以虚像方式实现的。
在一种优选的实施方式中，至少一个光学阵列的透镜元件可以是球面透镜元件。
在一种特别优选的实施方式中建议，至少一个光学阵列的透镜元件是柱面透镜元件。
基本上可以将具有任意其他透镜形式的透镜元件放入到光学阵列中。但为了使分光器设备得到尽可能高的效率，一般尽可能填满整个平面的光学阵列是特别具有优点的。为此目的，尤其是可以采用矩形或六角形的透镜元件。
在一种特别具有优点的实施方式中建议，至少一个光学阵列在相对的两侧上具有第一和第二柱面透镜元件，其中在所述至少一个光学阵列背面上的第一柱面透镜元件的圆柱轴分别相互平行，并垂直于在所述至少一个光学阵列正面上的第二柱面透镜元件的圆柱轴。其相对两侧上的柱面透镜元件具有彼此垂直的圆柱轴的这种柱面透镜阵列特别适用于将出现在分束器设备上的光束分成二维的子光束排列。
在一种特别优选的实施方式中，分束器设备具有至少一个透镜装置，该透镜装置在分束器设备的光路中被设置在第二光学阵列的后面，适用于将子光束聚焦到焦平面上。所述透镜装置对经过该透镜装置的子光束进行第二次傅立叶变换。现在，通过第二光学阵列和所述透镜装置进行的两次傅立叶变换使得子光束在该透镜装置后面的一个焦平面上成像。通过这种方式，例如可以在所述透镜装置的焦平面上形成点状图样。
所述透镜装置最好可以设计为球面状。
在分束器设备的一种变体中，至少一个光学阵列的光功能元件是镜面。镜面阵列提供了可比的效果，并且当出现在分束器设备上的电磁射线在穿过透镜元件的传输中被减弱或者没有被充分截断时是尤其有利的。
本发明的其他特征和优点将参照附图通过下面描述的优选实施例更清楚地说明。其中示出了：
图1根据本发明的第一种实施方式的分束器设备的示意性侧视图；
图2如图1所示的分束器设备的俯视图；
图3a如图1和图2所示的分束器设备的第一和第二光学阵列的示意性简化视图，以及通过分束器设备生成的点状图样；
图3b分束器设备的光学阵列的第一种替代变体的示意性简化视图及所生成的点状图样；
图3c分束器设备的光学阵列的第二种替代变体的示意性简化视图及所生成的点状图样；
图4根据本发明的第二种实施方式的分束器设备的示意性侧视图。
首先参照图1和图2，其中示出了根据本发明的第一种实施方式的分束器的两个视图。图1示出了一个示意性侧视图，图2示出了根据图1的分束器设备的俯视图。为了清楚起见，图1和图2中分别绘出了笛卡尔坐标系。
所述分束器设备包括第一光学阵列1，该第一光学阵列在其背面具有多个形成为凸透镜的第一柱面透镜元件10a-12c(参见图1)，在其正面具有多个形成为凸透镜的第二柱面透镜元件13a-15c(参见图2)。作为替代，第一光学阵列的第一和第二柱面透镜元件10a-12c、13a-15c中的至少一部分也可以设计成凹透镜。在本实施例中，第一和第二柱面透镜元件10a-12c、13a-15c还具有相同的直径和曲率，可以看到，第一光学阵列1背面的第一柱面透镜元件10a-12c的圆柱轴分别彼此基本平行，并基本垂直于第一光学阵列1正面的第二柱面透镜元件13a-15c的、同样也彼此基本平行的圆柱轴。原则上，第一光学阵列1中各种任意形状和排列的透镜元件都是可以的。例如，代替柱面透镜元件10a-12c、13a-15c，也可以放入球面透镜元件。
在射线传播方向(z方向)上，在第一光学阵列1后面设置了第二光学阵列2。这个第二光学阵列2在其背面同样具有多个形成为凸透镜的第一柱面透镜元件20a-20c，它们的圆柱轴彼此基本平行。在第二光学阵列2的正面具有多个形成为凸透镜的第二柱面透镜元件21a-21c，其圆柱轴同样彼此基本平行，并垂直于第一柱面透镜元件20a-20c的圆柱轴。作为替代，第二光学阵列2的柱面透镜元件20a-20c、21a-21c中的至少一部分也可以设计为凹透镜。作为替代，在第二光学阵列2中也可以放入其他形状和其他排列方式的透镜元件(例如球面透镜元件)。可以看到，在本实施例中，第二柱面透镜阵列2中的第一和第二柱面透镜元件20a-20c、21a-21c的直径大于第一光学阵列1中的第一和第二柱面透镜元件10a-12c、13a-15c的直径。第一光学阵列1中的相对较小的第一和第二柱面透镜元件10a-12c、13a-15c的直径例如可以是0.1至1mm的数量级。
由图1可以看到，第一光学阵列1背面的第一柱面透镜元件10a-12c中的三个恰好和第二光学阵列2背面的第一柱面透镜元件20a-20c中的一个分别对应。例如，第一光学阵列1中的柱面透镜元件10a、10b、10c对应于第二光学阵列2中的柱面透镜元件20a。相应地这也适用于柱面透镜元件20b，它和第一光学阵列1中的柱面透镜元件11 a、11b、11c相对应。对于柱面透镜元件20c，它和第一光学阵列1中的柱面透镜元件12a、12b、12c相对应。
由图2中所示，它是相对于图1旋转了90°的俯视图，可以看到，第一柱面透镜阵列1正面的第二柱面透镜元件13a-15c中的三个恰好和第二柱面透镜阵列2正面的第二柱面透镜元件21a-21c中的一个分别对应。即第二光学阵列2中的柱面透镜元件21a对应于第一光学阵列1中的柱面透镜元件13a、13b、13c。相应地这也适用于柱面透镜元件21b，它和第一光学阵列1中的柱面透镜元件14a、14b、14c相对应。对于柱面透镜元件21c，它和第一光学阵列1中的柱面透镜元件15a、15b、15c相对应。
与透镜元件的所选择的形状和排列方式无关，值得注意的是，第一光学阵列1中透镜元件总数与第二光学阵列2中透镜元件总数之比为整数。
除了上述两个光学阵列1、2之外，分束器设备还具有一个透镜装置3，在本实施例中这个透镜装置可以设计为球面形式，并在z方向(射线传播方向)上设置在第二光学阵列2的后面。
在图1和图2中所示的分束器设备上出现的、基本平行的光束首先借助于第一光学阵列1被分成多个子光束。在这里所示的实施例中，将光束分成多个子光束是以实像方式实现的，因为无论是第一光学阵列1的柱面透镜元件10a-12c、13a-15c还是第二光学阵列2的柱面透镜元件20a-20c、21a-21c都分别被设计为凸透镜。可选地，作为凸透镜形式的柱面透镜元件10a-12c、13a-15c、20a-20c、21a-21c的替代，也可以在两个光学阵列1、2中放入形成为凹透镜的柱面透镜元件，而将入射的光束分成多个子光束是以虚像方式实现的。
由于第一光学阵列1背面的第一柱面透镜元件10a-12c具有基本上相同的几何(直径和曲率)和光学特性，所有第一柱面透镜单元10a-12c都在第一光学阵列1后面的一定距离f1处分另别具有一个共同的焦平面(参见图1)。相应地，这也适用于第一光学阵列1正面的第二柱面透镜元件13a-15c，其共同的焦平面在第一光学阵列1后面的一定距离f4处(参见图2)。第二光学阵列2的第一和第二柱面透镜元件20a-20c、21a-21c也分别在第二光学阵列2前面具有共同的焦平面。在图1中可以看到，第二光学阵列的第一柱面透镜元件20a-20c的共同的焦平面位于距离f2处，而在图2中，第二光学阵列2的第二柱面透镜元件21a-21c的共同的焦平面位于距离f5处。
在这里所示的实施方式中，第二光学阵列2被如此设置，使得第二光学阵列2的第一柱面透镜元件20a-20c的焦平面与第一光学阵列的第一柱面透镜元件10a-12c的焦平面重合。此外，第二光学阵列2的第二柱面透镜元件21a-21c的焦平面也与第一光学阵列1的第二柱面透镜元件13a-15c的焦平面重合。在这里所示的分束器设备中，第二光学阵列2用作傅立叶光学元件，并对子光束进行第一次傅立叶变换。
在z方向上设置在第二光学阵列2后面的透镜装置3对子光束进行第二次傅立叶变换。由于借助第二光学阵列2和透镜装置3的两次傅立叶变换，第二光学阵列2的第一和第二柱面透镜元件20a-20c、21a-21c的焦平面内的强度分布被成像在距离透镜装置3的距离为f3处的透镜装置3的焦平面内，并且通过第一和第二柱面透镜元件20a-20c、21a-21c的各个孔径被取平均。由于第一光学阵列1的第一柱面透镜元件10a-12c中的三个及第二柱面透镜元件13a-15c中的三个恰好分别对应于第二柱面透镜阵列2的第一柱面透镜元件20a-20c中的一个及第二柱面透镜元件21a-21c中的一个，第一柱面透镜阵列1中的第一和第二柱面透镜元件10a-12c、13a-15c被周期性排列，使得在第二柱面透镜阵列2的第一和第二柱面透镜元件20a-20c、21a-21c的焦平面内能够产生非常近似的强度分布。
利用在图1和图2中所示的分束器设备，在透镜装置3的距离为f3处的图像一侧的焦平面内可以产生点状图样，其对应于在第二光学阵列2的第一和第二柱面透镜元件20a-20c、21a-21c中的每个透镜元件之前的第一光学阵列1的第一和第二柱面透镜元件10a-12c、13a-15c的焦点内的经过取平均后的强度图样。从而可以在透镜装置3的焦平面内产生具有相对均匀的强度分布的点状图样，其总共有九个像点P1-P9。这种点状图样在图3中示出。
在图3a、3b、3c中示出了不同的光学阵列1、2，它们可以用在图1和图2中所示的分束器设备中，还以非常简化的方式示意性地示出了在透镜装置3的焦平面内得到的点状图样。在图3a中所示的点状图样中总共有九个像点P1-P9，其可以通过上面详细描述的分束器设备直接生成。
根据图3b，替代地采用了这样一种光学阵列1，其在背面有两个第一柱面透镜元件，在正面有四个第二柱面透镜元件，这些柱面透镜元件分别和第二光学阵列2的第一柱面透镜元件20a-20c中的一个及第二柱面透镜元件21a-21c中的一个相对应，在透镜装置3的焦平面内总共得到了八个像点。
其柱面透镜元件在正面和背面的圆柱轴彼此错开的光学阵列1或者其透镜元件具有六边形孔径的光学阵列在透镜装置3的焦平面内产生了图3c所示的点状图样，总共有七个彼此错开排列的像点。
很清楚的是，通过适当选择第一光学阵列1的光功能元件的数目、形状和几何排列方式，能够改变所得到的像点数目及其空间分布，其中第一光学阵列1的光功能元件和第二光学阵列2的一个光功能元件分别对应。因此例如可以通过设置在这两个光学阵列1、2中的透镜元件的孔径形状和排列方式来改变借助分束器设备所产生的像点的数目。
图4示意性地示出了本发明的第二种实施方式的光路。也可以看到在其背面具有多个形成为凸透镜的第一柱面透镜元件10a的第一光学阵列1。在射线传播方向(z方向)上，在第一光学阵列1后面设置了一个第二光学阵列2，它在其背面具有多个形成为凸透镜的第一柱面透镜元件20a。在这里所示的实施例中，第二光学阵列2的第一柱面透镜元件20a的直径也大于第一光学阵列1的第一柱面透镜元件10a的直径。第一光学阵列1的第一柱面透镜元件10a的直径例如可以是0.1至1mm的数量级。可以看到，在这个实施例中，第一光学阵列1的第一柱面透镜元件10a中的四个恰好和第二光学阵列2的第一柱面透镜元件20a中的一个分别对应。光学阵列1、2在其正面同样具有第二柱面透镜元件，其圆柱轴彼此基本平行，并垂直于光学阵列1、2背面的第一柱面透镜元件10a、20a的圆柱轴。
如已经结合图1和图2中的第一种实施例详细描述的那样，出现在这种分束器设备上的、基本上平行的光束首先借助第一光学阵列1的第一柱面透镜元件10a被分成多个子光束，这些子光束在位于第二光学阵列2前面的第一柱面透镜元件10a的焦平面内被成像。第二光学阵列2也被用作傅立叶光学元件。与图1和图2所述实施方式不同的是，在本实施例中，第二光学阵列2并没有设置另外的透镜装置。
为了简单起见，在图4中，在第二光学阵列2下方仅分别示出了总共四个子光束中的头两个，可以看到它们在每个柱面透镜元件20a的下方。这些子光束用附图标记S1、S2来表示。可以看到，位于第二光学阵列2下方的分别用相同的附图标记表示的子光束S1、S2彼此基本平行。在第二阵列2的每个单个柱面透镜元件20a的远场中可以看到子射线S1、S2的强度的角分布，其和位于柱面透镜阵列2的第一柱面透镜元件20a前面的相对一侧的焦平面内的强度分布一致。
由于上面已经结合图1和图2描述的第一柱面透镜元件10a在第一光学阵列1中的周期性排列——其对应于第二光学元件2的第一柱面透镜元件20a，在第二光学阵列2的第一柱面透镜元件20a的焦平面内的强度分布可以非常近似。因此第二光学阵列2的第一柱面透镜元件20a产生了非常近似的远场，使得远场内的强度分布与第一光学阵列1的照明无关，以及与在分光器设备上出现的光束的射线轮廓无关。如果如图4所示，这两个光学阵列1、2的第一柱面透镜元件10a、20a的焦平面重合，则在这个焦平面内不会出现焦斑，而焦斑会导致相应数目的射线在远场内具有较小的发散度和不同的扩展角。从而实现了相对均匀的、并且高效的分束。

Claims (11)

1.一种分束器设备，其包括至少一个分束装置，所述分束装置适用于将光束分成多个子光束，其特征在于，所述分束装置包括至少一个第一光学阵列和至少一个第二光学阵列(1，2)，它们彼此间隔一段距离并具有多个光功能元件，其中第一光学阵列(1)中的整数倍的光功能元件与第二光学阵列中的一个光功能元件分别对应。
2.如权利要求1所述的分束器设备，其特征在于，所述光学阵列(1，2)的光功能元件是透镜元件。
3.如权利要求2所述的分束器设备，其特征在于，所述光学阵列(1，2)被如此设置，使得第二光学阵列(2)的透镜元件和第一光学阵列(1)中与之相对应的透镜元件具有共同的焦平面。
4.如权利要求2或3所述的分束器设备，其特征在于，所述光学阵列(1，2)中的至少一部分透镜元件被设计为凸透镜。
5.如权利要求2至4中任一项所述的分束器设备，其特征在于，所述光学阵列(1，2)中的至少一部分透镜元件被设计为凹透镜。
6.如权利要求2至5中任一项所述的分束器设备，其特征在于，所述光学阵列(1，2)中的透镜元件是球面透镜元件。
7.如权利要求2至6中任一项所述的分束器设备，其特征在于，所述光学阵列(1，2)中的透镜元件是柱面透镜元件(10a-15c，20a-21c)。
8.如权利要求7所述的分束器设备，其特征在于，所述光学阵列(1，2)中的至少一个在相对的两侧上具有第一和第二柱面透镜元件(10a-15c，20a-21c)，其中在所述光学阵列(1，2)中的至少一个的背面上的第一柱面透镜元件(10a-12c，20a-20c)的圆柱轴分别彼此平行，并垂直于在所述光学阵列(1，2)中的至少一个的正面上的第二柱面透镜元件(13a-15c，21a-21c)的圆柱轴。
9.如权利要求1至8中任一项所述的分束器设备，其特征在于，所述分束器设备具有至少一个透镜装置(3)，该透镜装置在分束器设备的光路中被设置在第二光学阵列(2)的后面，并适用于将子光束聚焦到一个焦平面上。
10.如权利要求9所述的分束器设备，其特征在于，所述透镜装置(3)被设计为球面形式。
11.如权利要求1所述的分束器设备，其特征在于，所述光学阵列(1，2)中的至少一个的光功能元件是镜面。
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