CN101305309A - 用于使光均匀化的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于使光均匀化的装置，包括具有多个凸透镜(12)的第一透镜阵列(11)；至少一个在射束传播方向上与第一透镜阵列(11)间隔开设置的第二透镜阵列(21)，其中被第一透镜阵列(11)折射的光可以通过第二透镜阵列(21)，其中第二透镜阵列(21)具有分别以一间隙相互间隔开地设置的多个第一透镜(22)；其中第一透镜阵列(11)的每个凸透镜(12)对应于第二透镜阵列(21)的第一透镜(22)中至少一个第一透镜；并且第一透镜阵列(11)的凸透镜(12)所具有的曲率小于与其相对应的所述第二透镜阵列(21)的第一透镜(22)的曲率。

Description

用于使光均匀化的装置

技术领域

本发明涉及一种用于使光均匀化的装置，包括具有多个凸透镜的第一透镜阵列和至少一个在射束传播方向上与第一透镜阵列间隔开设置的第二透镜阵列，其中被第一透镜阵列折射的光可以通过第二透镜阵列，其中第二透镜阵列具有分别相互间隔以间隙地设置的多个第一透镜，其中第二透镜阵列的第一透镜中的至少一个第一透镜对应于第一透镜阵列的每个凸透镜。

背景技术

前面所提到的那种装置例如被用于使由激光二极管组件(Laserdiodenbarren)所发射的相对不均匀的激光均匀化。从这样的装置所出射的由透镜阵列的各透镜折射的光在角区域上(Winkelbereich)被均匀的分布。现有技术中的用于使光均匀化的装置由相对小的或中等的数值孔径构成。数值孔径的典型值位于大约0.01和0.35之间的数量级。尤其地，现有技术中的用于使光均匀化的装置例如在材料加工、微平板印刷(Mikrolithographie)或测量技术中被用于均匀地照射工作区域。但是，可由已知的用于使光均匀化的装置实现的数值孔径对于一些应用领域是不足够的。

发明内容

本发明所基于的任务是提供一种用于使光均匀化的装置，其中即使以根据特性低折射的材料也可以以相对小的花费实现相对大的数值孔径。

该任务通过具有权利要求1的特征的用于使光均匀化的装置实现。从属权利要求涉及本发明的有利扩展方式。

根据本发明，第一透镜阵列的凸透镜所具有的曲率小于第二透镜阵列的相应第一阵列的曲率。由此，入射到根据本发明的用于使光均匀化的装置上的激光在第一透镜阵列的较弱弯曲凸透镜上被折射，然后入射到第二透镜阵列的比第一透镜阵列的透镜更强弯曲的第一透镜上。因此，借助于根据本发明的装置，即使以根据特性低折射的材料，也可以以很小的花费实现相对大的数值孔径。通过改变第一透镜阵列的凸透镜以及第二透镜阵列的相应第一透镜的曲率，可以有目的地适配数值孔径。

在一个有利实施方式中，第一透镜阵列的凸透镜的顶点垂线(Scheitellinien)在射束传播方向上与第一透镜阵列的第一透镜的顶点垂线基本上成一直线。由此，可以使这两个透镜阵列相互优化。

存在这样的可能性，即第二透镜阵列的至少一部分第一透镜被凸面地形成。其中，也可以是：第二透镜阵列的所有第一透镜都被凸面地形成。

可选地或补充地，还存在这样的可能性，即第二透镜阵列的至少一部分第一透镜被凹面地形成。其中也可以是：第二透镜阵列的所有第一透镜被凸面的形成。然后，第二透镜阵列被设置在第一透镜阵列的焦平面之后。

在一个有利实施方式中，在第一透镜阵列的相邻两个凸透镜之间分别形成间隙。

存在这样的可能性，即第一透镜阵列的凸透镜在并列设置第一透镜阵列的凸透镜的方向上具有比该间隙大的宽度。由此可以使得待均匀化的激光的主要成分通过凸透镜并被凸透镜折射。

基本上，可以任意地形成第一透镜阵列的透镜之间的间隙。为了简化装置的制造，在一个优选实施方式中，第一透镜阵列的凸透镜之间的间隙被构造为使得到相邻凸透镜的过渡是连续的。

在一个特别优选的实施方式中，间隙可以至少部分地包括凹透镜。

在一个有利实施方式中，第二透镜阵列的第一透镜的曲率半径被构造为使得透镜的焦点位于第二基片内。

存在这样的可能性，即第二透镜阵列的第一透镜之间的间隙是形状与第一透镜不同的第二透镜。

在一个有利实施方式中，可以是：第二透镜所具有的曲率半径大于第二透镜阵列的第一透镜的曲率半径。

例如，第二透镜可以被凹面地实现。

附图说明

借助于以下参考其中示出了根据本发明的用于使光均匀化的装置的简化侧视图的附图对优选实施例的详细说明，本发明的其他特征和优点是显然的。为了简化以下说明，在图1中给出了坐标系。

图1中所示出的根据本发明的用于使光均匀化的装置的实施例包括第一基片10和第二基片20。可以看出，第一基片10在光入射面上具有第一透镜阵列11。而光出射面被平坦地或至少基本上平坦地实现。第一透镜阵列11具有多个凸透镜12和多个凹透镜13。在该实施例中，凸透镜12和凹透镜13是柱面透镜，其柱轴(Zylinderachsen)基本上相互平行地取向。可以看到，第一透镜阵列11的凸透镜12和凹透镜13在x方向上交替地并列设置。因此，凹透镜13在第一透镜阵列11的各个凸透镜12之间形成间隙。基本上，可以在x方向上并列地设置多个凸透镜12和凹透镜13。第一透镜阵列11的凸透镜12在x方向上具有比凹透镜13大的延伸(Ausdehnung)，并因此具有比凹透镜13大的宽度。可选地，也存在这样的可能性，即代替凹透镜13，在各个凸透镜12之间设置具有其他形状的间隙。该间隙在x方向上具有比凸透镜12小的延伸，优选地具有明显更小的延伸。原则上，凸透镜12之间的间隙可以任意形成。从制造技术角度看，只要求间隙与定界间隙的其两个相邻凸透镜12之间的过渡是(在数学角度看)连续可微分的。

具体实施方式

在这里没有明确显示的一个可选实施方式中，存在这样的可能性，即第一基片10的光出射面配备有另一透镜阵列。该透镜阵列例如可以包括柱轴可以与第一透镜阵列11的柱面透镜的柱轴垂直地取向的柱面透镜。

在射束传播方向(z方向)上与第一基片10间隔开的第二基片20在面向第一基片10的光出射面的光入射面上具有第二透镜阵列21。在该实施例中，第二透镜阵列21的光出射面同样被平坦地或至少基本平台地被实现。可以看出，第二透镜阵列21包括凸面实现的第一透镜22以及凹面实现的第二透镜23，它们在该实施例中同样是柱轴相互平行取向的柱面透镜。第二透镜阵列21的凸透镜22和凹透镜23在x方向上同样相互交替地并列设置。但是，不同于第一透镜阵列11，第二透镜阵列21的凸透镜22在x方向上比凹透镜23更少地延伸并因此具有更小的宽度。还可以是：在凹透镜23的位置处分别设置各个凸透镜22之间的间隙，该间隙原则上可以被任意地形成。从制造技术方面看，只要求间隙和两个相邻凸透镜22之间的过渡(在数学方面看)是连续可微分的。凸透镜22之间的间隙于是在x方向上具有比凹透镜23更小的延伸，优选为明显更小的延伸。

在一个可选实施例中，还存在这样的可能性，即第二基片20的光出射面同样配备有透镜阵列，其例如可以包括柱轴可以垂直于第二透镜阵列21的柱面透镜的柱轴地取向的多个柱面透镜。

可以看到，在该实施例中，第一透镜阵列的凸透镜12的顶点垂线在射束传播方向(z方向)上与第二透镜阵列21的凸透镜22的顶点垂线成一直线。同样，第一透镜阵列11的凹透镜13的顶点垂线在射束传播方向上与第二透镜阵列21的凹透镜23的顶点垂线成一直线。因此，第一透镜阵列11的每个凸透镜12对应于第二透镜阵列21的一个凸透镜22。而且，在该实施例中，第一透镜阵列11的每个凹透镜13对应于第二透镜阵列21的一个凹透镜23。

为了表示这里所示出的用于使光均匀化的装置的工作方式，在图1中总共示出了这里未明确示出的例如可以是激光源(尤其是激光二极管组件或受激准分子激光器)的光源的待均匀化的光束的5个子射束30、31、32、33、34。但是，在所示例子中基本上平行的光束3原理上也可以是发散的，在第一透镜阵列11的光入射面上入射到用于使光均匀化的装置中，并且被第一透镜阵列11的凸透镜12折射，并在第一基片10的光出射面上出射。子射束30、31、32、33、34在第一透镜阵列21的光入射面上成束。

如上所述，对应于第一透镜阵列11的凸透镜12的第二透镜阵列21的凸透镜22具有带有比第一透镜阵列11的凸透镜12更小的曲率半径以及在x方向上更小的延伸的更强曲率，并且如图1所示，在该实施例中，子射束30、31、32、33、32在穿过第二透镜阵列21中成像(abbilden)在焦点中。在该实施例中，焦点位于第二基片20内。在从第二基片20出射时，子射束30、31、32、33、34在光出射面上重新被折射，从而在用于使光均匀化的装置的工作区域中在第二基片20之后的一特定距离中产生具有相对大的宽度的更均匀的、基本上线形的区域。基本上，还存在这样的可能性，即子射束30、31、32、33、34不在公共焦点中成像。此外，还可能是射束腰(Strahltaille)位于第二基片20之外。

这里所示的用于使光均匀化的装置例如可以在材料加工过程中被使用，其中在相对小的加工距离中应该用激光照明相对长地延伸的线形区域。

如已经提到的，原理上还存在这样的可能性，即第二透镜阵列21的凸透镜22之间的间隙可以任意地形成，因为根据在这里所示的装置中占主导的几何关系，没有光射到该间隙上。但是，原理上还存在这样的可能性，即第二透镜阵列21的凸透镜22之间的间隙被实现为使得通过该间隙的光同样可以被用于使激光3的均匀性。基于可以被用于制造激光阵列11、21的制造过程，一般不可能的是：透镜阵列11、21在z方向上几乎任意深地实现。凸透镜12、22分别在其最陡峭边沿上所对应的切线于是明显太陡峭。在图1中，分别在凸透镜12、22的最陡峭位置处示出切线。对于这里所示的用于使光均匀化的装置的数值孔径，在角度为φ＝40°并且玻璃折射率为n＝1.5的情况下得到大约0.9的值。第一透镜阵列11的凸透镜12在z方向上的深度于是例如可以是大约0.395mm。第二透镜阵列21的凸透镜22的宽度于是可以在大约0.2mm数量级中。实验已经证明，在切线角度φ为大约30°到40°的情况下，借助于这里所示的装置可以得到近似为1的数值孔径(NA)。借助于这里所示的装置，还可以以具有相对低折射率的基片10、20实现根据特性大的数值孔径。

为了在装置的工作区域中获得激光3的尽可能均匀的光分布，可能还需要的是，球面地构造第一和第二透镜阵列11、21的凸透镜12、22。

根据图1所示用于使光均匀化的装置的一个未明确示出的变体，还存在这样的可能性，即用具有对应于第一透镜阵列11的凸透镜12的凹透镜的透镜阵列代替第二透镜阵列21。然后，第二透镜阵列21设置在第一透镜阵列11的焦点之后。

原理上，存在这样的可能性，即代替柱面透镜，这两个透镜阵列11、21的透镜12、13、22、23被实现为(具有间隙)的圆透镜、矩形透镜或甚至六角形透镜。本发明的基本思想不被限制到特定透镜类型。

此外，还可能的是，用于使光均匀化的装置由多于两个透镜阵列11、21构成。而且，所有透镜12、13、22、23相对于镜面(y-z面)不对称。

原理上，借助于这里所示的用于使光均匀化的装置，可以实现数量级1中的相对大的数值孔径。通过该结构，尤其还可以用低折射材料以很小的花费实现该值的数值孔径。

Claims (12)

1.一种用于使光均匀化的装置，包括：

具有多个凸透镜(12)的第一透镜阵列(11)；

至少一个在射束传播方向上与所述第一透镜阵列(11)间隔开设置的第二透镜阵列(21)，其中被所述第一透镜阵列(11)折射的光可以通过所述第二透镜阵列(21)，其中所述第二透镜阵列(21)具有分别以一间隙相互间隔开地设置的多个第一透镜(22)；

其中所述第一透镜阵列(11)的每个凸透镜(12)对应于所述第二透镜阵列(21)的第一透镜(22)中至少一个第一透镜；

其特征在于，

所述第一透镜阵列(11)的凸透镜(12)所具有的曲率小于与其相对应的所述第二透镜阵列(21)的第一透镜(22)的曲率。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一透镜阵列(11)的凸透镜(12)的顶点垂线在射束传播方向上基本上与所述第二透镜阵列(21)的第一透镜(22)的顶点垂线成一直线。

3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述第二透镜阵列(21)的至少一部分第一透镜(22)被形成为凸面的。

4.如权利要求1到3中任一项所述的装置，其特征在于，所述第二透镜阵列(21)的至少一部分第一透镜(22)被形成为凹面的。

5.如权利要求1到4中任一项所述的装置，其特征在于，在所述第一透镜阵列(11)的两个相邻凸透镜(12)之间分别形成间隙。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述第一透镜阵列(11)的凸透镜(12)在并列设置所述第一透镜阵列(11)的凸透镜(12)的方向上包括比所述间隙大的宽度。

7.如权利要求5或6所述的系统(600)，其特征在于，所述第一透镜阵列(11)的凸透镜(12)之间的间隙被构造为使得到相邻凸透镜(12)的过渡是连续的。

8.如权利要求5至7中任一项所述的装置，其特征在于，所述间隙至少部分地包括凹透镜(13)。

9.如权利要求1至8中任一项所述的装置，其特征在于，所述第二透镜阵列(21)的第一透镜(22)的曲率半径被构造为使得所述第一透镜(22)的焦点位于第二基片(2)内。

10.如权利要求1至9中任一项所述的装置，其特征在于，所述第二透镜阵列(21)的第一透镜(22)之间的间隙是第二透镜(23)，其中所述第二透镜(23)具有与所述第一透镜(22)不同的形状。

11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述第二透镜(23)所具有的曲率半径大于所述第二透镜阵列(21)的第一透镜(22)的曲率半径。

12.如权利要求10或11所述的装置，其特征在于，所述第二透镜(23)被凹面地实现。

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