CN1543578A - 用于使光束均匀化的装置和布置 - Google Patents

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Abstract

用于使光束均匀化的装置，具有两个彼此基本上相对的可以用作光束(2、5)的入射面(7)和射出面(8)的光学功能界面，入射面(7)和射出面(8)至少局部地具有类似透镜的结构，在入射面(7)和射出面(8)上形成的结构形成相互交替地并排设置的凸出部分(9、11)和凹入部分(10、12)，凸出部分(9、11)和凹入部分(10、12)之间的过渡是相对平滑的。本发明还涉及具有一个上述类型的装置(3)的用于使光束均匀化的布置。

Description

用于使光束均匀化的装置和布置
技术领域
本发明涉及一种具有两个彼此基本上相对的能作为光线的入射面和射出面的功能界面的用于使光束均匀化的装置，在此入射面和射出面至少局部地具有类似透镜的结构。本发明还涉及一种具有一个能被要均匀化的光束穿过的用于使光束均匀化的装置的使光束均匀化的布置，沿光线方向在这个装置后面布置有一个聚光透镜，该聚光透镜使光束这样聚焦，即，使光束大约在聚光透镜的焦平面区域内比进入该装置前更均匀。
背景技术
由PCT申请WO98/10317已知上述类型的装置和布置。其中描述的装置不仅在它的入射面上而且在它的射出面上都有整列相互平行和并排布置的圆柱形透镜。入射面的圆柱形透镜和射出面的圆柱形透镜的圆柱轴线相互垂直。在这个设备后面布置有一个聚光透镜，这个聚光透镜能够使穿过装置的光在一个焦平面上聚焦。用这个布置和这个装置，通过使光束入射到圆柱形透镜的不同区域的分光束在不同的立体角范围内被转向来实现均匀化。因此光束在穿过使光束均匀化的装置后比进入前容易发散。在聚光透镜中平行入射其中的分光束这样被改变方向，使分光束在焦平面上被聚到一个点上。因此发生各个分光束的重叠，通过以前的在圆柱形透镜上的折射实现在不同的立体角范围内的均匀散射。由于这个原因在焦平面上的光束横截面比较均匀。上述装置以及上述布置的缺点是，装置由并排的凸圆柱形透镜组成，在圆柱形透镜的连接区域内存在入射面或射出面的表面的非常强烈的弯曲。待均匀化的光束的入射到连接区域的分光束或者无妨碍地通过连接区域，使它不能被均匀化，或者是分光束不受控制地转向不同方向，使它脱离光束并因此被视为损失。此外还存在这样的危险，在这个边缘锋锐的连接区域内有一个这样小的曲率半径，使得在装置内部或装置后面不远处形成不希望的高强度焦点。这可能在相应高的激光强度下导致损坏。在非常高的激光强度时还有以下的缺点，它涉及到凸圆柱形透镜，在使光束均匀化的装置后面形成高强度的聚焦线，使在焦点区域同样可能产生对环境的破坏。
由现有技术已知一些开头所述类型的装置，这些装置在入射面和/或射出面上具有球形的凸透镜元件。这些球形凸透镜元件同样相互很密地挨着排列。他们通过与上述圆柱形透镜相同的方式使光束均匀化，并且最后也具有相同的缺点。特别是根据使用球形凸透镜元件的事实，整个装置被高强度的焦点区域损坏的危险明显大。各个球形透镜部分之间的过渡区域也是边缘锋锐的，使得在这里同样可能产生上述问题。
发明内容
本发明基于的问题是创造一种较有效地构成的开头所述类型的装置和布置。
这个关于装置的问题通过权利要求1所述的特征解决，关于布置的问题通过权利要求9所述的特征解决。
按照权利要求1规定，由交替并排地布置的凹入部分和凸出部分构成在入射面和射出面上形成的结构，凸出部分和凹入部分之间的过渡部分是相对平滑的。通过使凸出部分和凹入部分并排的布置，按照本发明这两部分之间的过渡部分可以相对平滑，也就是说，不形成另外的台阶或棱角。特别是凸出部分的曲率可以过渡成凹入部分的曲率。特别是相对平滑就本发明而言意味着，凸出部分和凹入部分之间的过渡区域与凸出部分和凹入部分的空间延伸相比在一个垂直于入射面和射出面的方向上是平滑的，特别是没有台阶或棱角，过渡区域的延伸在一个垂直于入射面和射出面的方向上能与上述各部分的延伸进行比较。相对平滑在这个意义上不应该意味着，凸出部分和凹入部分之间的过渡区域应该不具有任何的表面粗糙度。更确切地说，这些部分之间的过渡区域应该不具有台阶或棱角，在光线穿过的方向上它们的空间延伸明显地小于凸出和凹入部分的空间延伸。
通过凸出部分和凹入部分之间的过渡部分的平滑构造保证，穿过过渡区域的光线不会无控制地从装置散射出。通过这种方式特别是提高了光输出的效率。通过这个平滑的过渡还不会产生可能在装置后面导致强度高的焦点或焦线的尖锐曲线。此外通过这个凸出和凹入部分之间的没有过渡的连接区域，入射在这个区域上的光束不会无妨碍地穿过。在原理上每束照射在装置上的分光束还这样被改变方向，能够保证进入装置的光束最佳地被均匀化。
按照本发明一个优先实施形式规定，凸出部分和凹入部分具有一个总是位于入射面或射出面内的方向，沿着这个方向这些部分的曲率至少局部基本上是不变的，入射面的基本上不变的曲率的方向与射出面的基本上不变的曲率的方向垂直。从而产生一个结构，这个结构与按照现有技术的交叉的圆柱形透镜的结构相似。然而按照本发明规定，一个凸出的延伸的类似透镜的结构总是与一个凹入的延伸的类似透镜的结构相邻。用这种方式与现有技术相反，保证在凸出和凹入部分也就是类似透镜的结构之间没有台阶或棱角的平滑过渡。
在此特别是凸出部分和凹入部分可以在总是与不变的曲率的方向垂直的方向上具有一个椭圆的形状。作为选择凸出部分和凹入部分可以在总是与不变的曲率的方向垂直的方向上具有一个双曲线的或抛物线的或较高阶多项式的形状，或者具有一个类似正弦的形状。通过凸出和凹入部分的这种表面构造避免在使光束均匀化的装置后面产生具有高强度的焦点区域。与球形透镜或圆柱形透镜不同，例如椭圆形透镜没有明确的焦点区域，因为它垂直于不变的曲率方向有一个基本上不断改变的曲率。
与一个类似正弦的形状相反，构成为椭圆、双曲线、抛物线或较高阶多项式形状的凸出和凹入部分还具有以下优点，它们可以形成这样的构造，能使光束横截面明显有效地均匀化。这在下面参考图4的附图说明中还要详细地解释。
有利地可以规定，凸出部分的曲率按平均值弱于凹入部分的曲率。用这种方式进一步减小在凸出部分后面的焦点区域的光强度。由于它们的作用像散射透镜的事实，在凹入部分后面根本不产生焦点区域。
在本发明的一种特别适合于具有较小强度的光束的实施形式中，凸出部分和凹入部分在总是垂直于不变的曲率方向的方向上可以具有一弓形的形状，以便产生并排排列的凸和凹圆柱形透镜。这些并排排列的凸和凹圆柱形透镜也有助于按照本发明提高效率，因为这些凸和凹圆柱形透镜部分之间的过渡区域是平滑的，这样不会出现上述由现有技术已知的缺点。只是在明显强烈的激光束情况下在凸圆柱形透镜部分后面产生焦线，它是这样的强烈，以致造成不希望的损坏。
按照本发明有这样的可能性，不仅在入射面上而且在射出面上都形成大量的凸出部分和凹入部分，最好是大约100到500个，特别是大约300个。这些并排排列的凸出和凹入部分的数量可以根据用途增加或减少。这根据入射光束横截面的强度分布质量的不同而有所不同。
附图说明
借助于以下参考附图对优选实施例的说明得出本发明的其他的特征和优点。附图中：
图1a按照本发明的用于使光束均匀化的布置的示意侧视图；
图1b相对于图1a转动90°的侧视图；
图1c表示在图1a和图1b中描绘的光程的各个位置上的光束的强度分布的曲线图；
图2a按照本发明使光束均匀化的装置的一部分的俯视图；
图2b按图2a中箭头IIb方向的视图；
图2c按图2a中箭头IIc方向的视图；
图3示出全部数量的分光束在使光束均匀化用的装置的透镜表面上折射的详细侧视图；
图4示出通过一个按照本发明使光束均匀化的装置使入射光线依据入射位置偏向不同的立体角的曲线图。
具体实施方式
在图1a和图1b中描绘的按照本发明的配置含有一个光源1，从光源1中射出光束2，光束2穿过一个按照本发明的使光束均匀化的装置3，最后被一个聚光透镜4聚焦。从聚光透镜4射出的光束5在图1a和图1b中被描绘在其直到聚光透镜4的焦平面6的路线中。
在图2中详细地描绘了按照本发明的使光束均匀化的装置3。在此没有按照比例而是为了说明放大地画出了装置3的结构。在此装置3具有一个基本上正方形的入射面7和一个与入射面7相对的基本上正方形的射出面8。不仅在入射面7上而且在射出面8上都形成有凸出部分9、11和凹入部分10、12。例如由图2b在截面上可以看出射出面8的凸出部分11和凹入部分12。不仅凸出部分11而且凹入部分12都以不变的横截面沿一个方向，即X-方向延伸，这样由图2b看到的射出面8横截面在X-方向上，直到图2b图纸平面不改变。在图2c中描绘的入射面7也一样，其横截面在Y-方向上，也就是直到图2c的图纸平面，不改变。不仅凸面9、11而且凹面10、12在横截面上都具有椭圆形状。由于这个椭圆形状凸出部分9、11的顶点垂线和凹入部分10、12的顶点垂线之间的曲率半径基本上连续地改变。在图2a中为了说明，凸出部分9、11的顶点垂线13用虚线画出或交织画出。
由图2b可以看出，凹入部分12的曲率在平均值上略弱于凸出部分11的曲率。凸出部分9和凹入部分10相应地也是这样。
对本发明重要的是，凸出部分9、11和凹入部分10、12之间的过渡是平滑的，也就是说，特别是可微分的。这意味着，在图2b中的函数Z(y)或在图2c中的函数Z(x)在凸出部分9、11和凹入部分10、12之间的过渡区域没有台阶或类似物。特别是，例如在凸出部分9、11和凹入部分10、12之间的过渡区域内对无限接近的点y1、y2，Z′(y1)＝Z′(y2)成立。在这里Z′(y)是函数Z(y)的导数。
在图2中描绘的按照本发明的装置可以例如在X和Y-方向有30mm的外尺寸以及在Z-方向有1.5mm的外尺寸。凸出部分9、11可以例如有大约30μm的宽度。凹入部分10、12可以有70μm的宽度。深度，也就是凸出部分9、11从过渡区域到顶点在Z-方向的长度可以小于1μm，例如在0.2和0.3μm之间。凹入部分10、12在Z-方向的深度同样可以小于1μm，例如为0.8μm。当然完全可以想象，为按照本发明的装置3选择其他的尺寸。为凸出部分9、11和凹入部分10、12选择上述的小于1μm的非常小的深度也完全可以。此外，在某些用途下没必要选择相继的凸出和凹入部分9、10，11、12的这样小的周期波长。在上述情况下凸出部分9、11的两个顶点垂线13之间的周期波长大约是100μm。在相应的应用中完全有可能，在毫米范围内选择顶点垂线13之间的周期波长。
在上述的大约30mm宽和大约100μm周期长度的尺寸下完全有可能，并排设置大约300个或更多的凸出部分9、11和凹入部分10、12。
由图3可以清楚地看出，例如射在界面8上的光束2的分光束是如何均匀地被转向不同的方向。可以清楚地看出，穿过凹入部分12的分光束相互散射开，这样在Z-方向上在凹入部分12后面不发生聚焦。凹入部分12在这里的作用如同一个散射透镜。相反穿过凸出部分11的分光束在一个焦点区域14相互靠近。凸出部分11在这里的作用如同一个聚光透镜。然而这个焦点区域14不是空间非常集中的焦点。更确切地说，在描绘的实施例中射在凸出部分11上的分光束以大约系数6发生浓缩。例如在凸出部分11在图3中X-方向上的延伸为大约30μm时，焦点区域14在X-方向上有一个大约5μm的延伸。由于凸出部分与在通常圆柱形透镜中存在的球形几何形状相反，不是具有不变的曲率而是由于椭圆横截面具有一个基本上是不断改变的曲率，从而产生比较模糊的焦点区域14。
在图4中表示入射到某一空间区域x，y内的分光束和立体角θ之间的关系。为了更好地说明，在图4下部区域示意地画出了射出面8。下面的考虑对入射面7是相似的。特别是在此可以看出，在一个立体角范围Δθ(Raumwinkelelement)内改变方向的分光束总是含有相邻的空间区域Δx1，y1或Δx2，y2的份额。如由图4可以看出的，空间区域Δx1，y1和Δx2，y2设置在射出面8的相邻的凹入和凸出部分中。由图4还可以看出，区间Δx1，y1和Δx2，y2以不同的斜度与函数θ(x，y)相交，使得在相同的立体角范围Aθ内改变方向的分光束来自不同大小的空间区域Δx1，y1和Δx2，y2。这导致以下的结果，在整个射出面8上沿y-方向或在整个入射面7上沿x-方向取平均值时，在各个立体角范围Δθ内发生一个非常均匀的光强度分布。
这在图1c中说明。在图1c中第一个或左边的曲线图中描绘了在进入按照本发明装置3之前的光束2的强度分布I(x，y)。由图1c可知，强度在光束2的横截面上的分布是非常不均匀的。例如通常一个激发物-激光就是这样强度极不均匀分布的。图1c中三个曲线图的中间那个说明，在穿过按照本发明的装置3后强度分布I(x，y)是非常均匀的，也就是说在相同的立体角范围Δθ内基本相同的(光束)强度被反射。在图1c中右边的那个曲线图说明，通过聚光透镜4可以达到，光束5的强度在聚光透镜4的焦平面6上分布I(x，y)关于空间的分布也能均匀化。其原因在于，平行地射在聚光透镜上的光束在焦平面6上被聚焦到一个点，使来自于一个关于立体角的均匀的强度分布I(θ)成为一个关于空间分布的均匀的强度分布I(x，y)。
由于入射面7和射出面8在Z-方向上相互隔开的事实，被入射面7的凸出部分9折射的分光束和被射出面8的凸出部分11折射的分光束的焦点区域14不会彼此重叠。更确切地说，它们在Z-方向上对应地相互隔开。因此在这里不会形成过高强度的区域。如上面说明的，通过选择具有类似椭圆的横截面的面，当然也达到同样的效果。
按照本发明完全也有可能，用其他形状代替凸出和凹入部分的横截面的椭圆几何形状。例如这里可以是双曲线的、抛物线的以及较高阶多项式的面。在这里不选择恒定曲率的面是有利的，因为选择不变曲率的面可能在使光束均匀化的装置后面产生不希望的强度最大化。也可以限制地使用具有正弦形状的横截面的面。然而正弦面是有问题的，强度分布在通过这样的面之后通常不是完全均匀的，而是大约在光束横截面的中心强度减小。
在本发明一个较差的实施形式中也有可能，选择不变曲率的面，即特别是具有球形横截面的面代替凸出和凹入部分的椭圆形横截面。通过选择球形的面人们总是交替地得到作为聚光透镜的凸圆柱形透镜和作为散射透镜的凹圆柱形透镜。在这里不利的是，在凸圆柱形透镜的后面产生相对窄的焦点区域，在照射在装置3上的光束具有非常高的强度时可能导致在焦点的不希望的高的强度，这可能导致损坏的后果。因此一个这样的以球形表面设计的装置3只适用于不太大的光束强度的场合。
一个由相互交叉的圆柱形透镜组成的这种装置3仍然完全可以按照本发明装在入射面7和射出面8上，因为凸出和凹入部分之间的过渡区域是平滑地过渡的。例如在此可以为凸出和凹入部分选择相同的曲率半径。重要的只是，凸出和凹入部分之间的过渡区域是近似可微分的，以便不出现台阶或其他的有害偏移。
附图标记清单
1    光源
2    光束
3    使光束均匀化的装置
4    聚光透镜
5    光束
6    焦平面
7    入射面
8    射出面
9    凸出部分
10   凹入部分
11   凸出部分
12   凹入部分
13   顶点垂线
14   焦点区域

Claims (9)

1.用于使光束均匀化的装置，具有两个彼此基本上相对的光学功能界面，所述界面可以用作光束(2、5)的入射面(7)和射出面(8)，其中，所述入射面(7)和射出面(8)至少局部地具有类似透镜的结构，其特征在于，在所述入射面(7)和射出面(8)上形成的结构形成交替并排排列的凸出部分(9、11)和凹入部分(10、12)，所述凸出部分(9、11)和凹入部分(10、12)之间的过渡是相对平滑的。
2.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，所述凸出部分(9、11)和凹入部分(10、12)之间的过渡区域与凸出和凹入部分(9、10、11、12)的空间延伸相比在一个垂直于入射面(7)和射出面(8)的方向(Z)上是平滑的，特别是没有台阶或棱角，它就其延伸而言在垂直于入射面(7)和射出面(8)的方向(Z)上与各部分(9、10、11、12)的延伸是可相比较的。
3.按照权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述凸出部分(9、11)和凹入部分(10、12)具有一个总是位于入射面(7)或射出面(8)上的方向(X、Y)，沿着这个方向这些部分(9、10、11、12)的曲率至少局部基本上是不变的，入射面基本不变的曲率的方向(y)垂直于射出面(8)基本不变的曲率的方向(x)。
4.按照权利要求1至3之一所述的装置，其特征在于，所述凸出部分(9、11)和凹入部分(10、12)沿着总是与不变的曲率的方向(y，x)垂直的方向(x，y)具有一椭圆形形状。
5.按照权利要求1至3之一所述的装置，其特征在于，所述凸出部分(9、11)和凹入部分(10、12)在总是与不变的曲率的方向(y，x)垂直的方向(x，y)上具有一个双曲线的或抛物线的或高阶多项式的形状或一个类似正弦的形状。
6.按照权利要求1至3之一所述的装置，其特征在于，所述凸出部分(9、11)和凹入部分(10、12)在总是与不变的曲率的方向(y，x)垂直的方向(x，y)上具有一弓形形状，使得形成并排排列的凸和凹圆柱形透镜。
7.按照权利要求1至6之一所述的装置，其特征在于，所述凸出部分(9、11)的曲率按平均值弱于凹入部分(10、12)的曲率。
8.按照权利要求1至7之一所述的装置，其特征在于，不仅在入射面(7)上而且在射出面(8)上都形成大量的凸出部分(9、11)和凹入部分(10、12)，最好是大约100到500个，特别是大约300个。
9.用于使光束均匀化的布置，包括一个使光束均匀化的装置(3)，一束待均匀化的光束(2、5)可以穿过这个装置(3)，沿光线方向在装置(3)后面设置一个聚光透镜(4)，它使光束(5)这样聚焦，使地光束(5)大约在聚光透镜(4)的焦平面(6)区域比进入装置(3)之前更加均匀，其特征在于一个权利要求1至8之一所述的使光束均匀化的装置(3)。
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