DE10017884A1 - Vorrichtung zur geometrischen Strahlformung eines Lichtstrahlprofils - Google Patents
Vorrichtung zur geometrischen Strahlformung eines LichtstrahlprofilsInfo
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Abstract
Beschrieben wird eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur geometrischen Strahlformung des Strahlprofils eines Lichtstrahls mit einem ersten und einem zweiten, für den Lichtstrahl optisch transparenten Prisma, die derart im Strahlverlauf des Lichtstrahls angeordnet sind, dass nach Durchtritt des Lichtstrahls durch beide Prismen das Strahlprofil des Lichtstrahls in einer Richtung senkrecht zu seiner Ausbreitungsrichtung mit einem ersten Faktor und in einer dazu senkrechten Richtung mit einem zum ersten Faktor unterschiedlichen zweiten Faktor aufweitbar oder verkleinerbar ist. DOLLAR A Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das erste Prisma um eine Drehachse drehbar gelagert ist und das zweite Prisma um eine weitere Drehachse drehbar und relativ zum ersten Prisma entlang einer Kurve bewegbar gelagert ist.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung sowie Verfahren zur geometrischen
Strahlformung des Strahlprofils eines Lichtstrahls mit einem ersten und einem
zweiten, für den Lichtstrahl optisch transparenten Prisma, die derart im Strahlverlauf
des Lichtstrahls angeordnet sind, dass nach Durchtritt des Lichtstrahls durch beide
Prismen das Strahlprofil des Lichtstrahls in einer Richtung senkrecht zu seiner
Ausbreitungsrichtung mit einem ersten Faktor und in einer dazu senkrechten
Richtung mit einem zum ersten Faktor unterschiedlichen zweiten Faktor aufweitbar
oder verkleinerbar ist.
Eine Vorrichtung der vorstehend genannten Gattung dient beispielsweise der
Strahlprofilformung des elliptischen Strahlprofils kantenemittierender Halbleiterlaser
zur Umwandlung in ein rundes Strahlprofil. Grundsätzlich gibt es hierzu zwei
unterschiedliche Methoden:
- a) Die Verwendung eines Zylinderlinsenanamorphot, der aus zwei Zylinderlinsen besteht, die wie ein Teleskop angeordnet sind und
- b) ein Prismenanamorphot, der aus einem oder mehreren Glasprismen besteht, der der vorstehend beschriebenen Vorrichtung entspricht.
Der Nachteil bei der Verwendung eines Zylinderlinsenanamorphot ist die fest durch
die beiden Linsenbrennweiten vorgegebene anamorphotische Vergrößerung. Der
Vorteil eines Prismenanamorphots ist, dass die Vergrößerung durch die Änderung
des Einfallswinkels der Prismen variiert werden kann. Wellenfronteigenschaften -
wie z. B. Astigmatismus - werden hingegen nicht beeinflußt.
Zur Beeinflussung des Strahlprofils von Lichtstrahlen durch optische Einheiten gilt
grundsätzlich folgendes:
Lichtstrahlen, die durch eine plane Grenzfläche von einem optisch dünnen in ein
optisch dichtes Medium eintreten, werden stets "zum Lot hin" gebrochen, wodurch
eine anamorphotische Vergrößerung, d. h. eine Vergrößerung die nur entlang einer
bevorzugten Raumachse erfolgt und somit zu einer Verzerrung des Strahlprofils
führt, verbunden ist, sobald vom senkrechten Lichteinfall auf die Grenzfläche
abgewichen wird.
Beim Austritt aus dem optisch dichteren, in das optische dünnere Medium wird
hingegen "vom Lot weg" gebrochen, womit stets eine anamorphotische
"Verkleinerung" verknüpft ist. In beiden Fällen erhält man für senkrechten Einfall eine
Vergrößerung/Verkleinerung von 1. Will man nun gezielt eine anamorphotische
Vergrößerung durch ein Prisma erreichen, muß man lediglich dafür sorgen, daß die
Vergrößerung beim Eintritt ins Prisma nicht durch die Verkleinerung beim Austritt
überkompensiert wird. Durch Variation des Einfallswinkel ist es dabei leicht möglich
die Gesamtvergrößerung über einen großen Bereich - von Verkleinern bis
Vergrößern - einzustellen.
Da nach Durchgang eines Lichtstrahls durch ein Prisma der Strahl um einen
bestimmten Winkel aus seiner ursprünglichen Ausbreitungsrichtung abgelenkt ist,
wird oft ein zweites Prisma benutzt, um die ursprüngliche Strahlrichtung wieder
herzustellen. Hierfür wird das zweite Prisma relativ zum ersten Prisma um 180°
gedreht, sodass der Einfallswinkel in das zweite Prisma gleich dem Einfallswinkel in
das erste Prisma ist, um so den Lichtstrahl um den gleichen Winkel in die
entgegengesetzte Richtung abzulenken. Die Gesamtvergrößerung des
Prismenpaares ist das Produkt der Einzelvergrößerungen, also bei einer
symmetrischen Anordnung gleich dem Quadrat der Vergrößerung eines einzelnen
Prismas.
Aufgabe ist es eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur geometrischen
Strahlformung des Strahlprofils eines Lichtstrahls mit einem ersten und einem
zweiten, für den Lichtstrahl optisch transparenten Prisma, die derart im Strahlverlauf
des Lichtstrahls angeordnet sind, dass nach Durchtritt des Lichtstrahls durch beide
Prismen das Strahlprofil des Lichtstrahls in einer Richtung senkrecht zu seiner
Ausbreitungsrichtung mit einem ersten Faktor und in einer dazu senkrechten
Richtung mit einem zum ersten Faktor unterschiedlichen zweiten Faktor aufweitbar
oder verkleinerbar ist, derart weiterzubilden, dass eine leichte Bedienbarkeit
gewährleistet wird und der Umgang und Einsatz der Vorrichtung in den Strahlengang
eines optischen Systems möglich ist. Insbesondere soll die anamorphotische
Vorrichtung eine Vergrößerung oder Verkleinerung des Strahlprofils erlauben ohne
dabei die Strahllage des Lichtstrahls zu verändern. Besonderer Aspekt gilt hierbei
der leichten Bedienbarkeit der Vorrichtung, die überdies kompakt und justierarm
aufgebaut sein soll.
Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 sowie
im Anspruch 7 angegeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende
Merkmale sind der Unteransprüchen zu entnehmen.
Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart
weitergebildet, dass das erste Prisma um eine Drehachse drehbar gelagert ist und
das zweite Prisma um eine weitere Drehachse drehbar und relativ zum ersten Prisma
entlang einer Kurve bewegbar gelagert ist.
Die anamorphotische Vergrößerung des Prismenpaares ist durch die jeweiligen
Einfallswinkel bestimmt, unter denen der Lichtstrahl auf die Einfallsflächen der
Prismen auftrifft. Ist also eine Strahlrichtung und eine Vergrößerung vorgegeben und
wird weiterhin gewünscht, daß der Ausgangsstrahl parallel zum einfallenden Strahl
verläuft, sind die Winkel, unter denen die beiden Prismen zueinander und zum Strahl
stehen müssen, eindeutig festgelegt. Der einzige freie Parameter ist der
Parallelversatz zwischen Eingangs- und Ausgangsstrahl. Dieser wird durch den
Abstand der beiden Prismen bestimmt.
Durch die Größe der Prismen ist ein gewisser minimaler Strahlversatz vorgegeben.
Jeder Strahlversatz läßt sich im Prinzip durch verschiedene Positionen des zweiten
Prismas erzeugen, jedoch ist es sinnvoll, das Prisma so zu positionieren, daß der
Strahl dessen Eintrittsfläche mittig trifft, um Strahlen mit größeren Durchmessern
nicht einseitig am Rand des Prismas abzuschneiden. Will man nun für alle
Vergrößerungen den gleichen Strahlversatz erreichen und die Eintrittsfläche des
zweiten Prismas mittig treffen, ist für jede Vergrößerung eindeutig eine Position des
zweiten Prismas relativ zum ersten vorgegeben.
Für viele Anwendungen ist ein derartiger Anamorphot mit variabler Vergrößerung von
Vorteil, der außerdem immer den gleichen Strahlversatz liefert. Ein solcher
Anamorphot läßt sich als anamorphotisches Prismenpaar realisieren, sofern eine
Halterung für die beiden Prismen folgende Freiheitsgrade bietet:
- 1. beide Prismen sind je um eine Achse (parallel zu beiden Eintrittsflächen) rotierbar,
- 2. das zweite Prisma lässt sich relativ zum ersten Prisma derart verschieben, daß der jeweils gewünschte Strahlversatz einstellbar bzw. konstant ist.
Da nur der relative Abstand zwischen beiden Prismen eine Rolle spielt, kann das
erste Prisma drehbar an einem festen Ort montiert werden. Die Drehachse liegt
sinnvoller Weise durch den Mittelpunkt der Eintrittsfläche, den auch der
Eingangslichtstrahl treffen sollte. Das zweite Prisma ist drehbar und verschiebbar
montiert.
Reduziert man die Anforderungen an den Anamorphoten auf einen einzigen
konstanten Parallelversatz zwischen Eingangs- und Ausgangsstrahl, muß das zweite
Prisma nur entlang einer Linie verschiebbar sein, die sich aus der Schar von
Positionen ergibt, die das Prisma für die verschiedenen Vergrößerungen einnehmen
muß, um den vorgegebenen Strahlversatz zu erreichen. Die Linie ergibt sich dabei
sinnvollerweise aus den Bedingungen
- a) den Strahlversatz einstellen zu können und
- b) das zweite Prisma mittig auf seiner Eintrittsfläche zutreffen.
Bei Berechnung einer solchen Linie findet man, daß die erhaltene Kurve sehr gut
durch eine Gerade angenähert werden kann, die um einige Grad gegen den
Einfallsstrahl geneigt ist. Es genügt in aller Regel das zweite Prisma entlang dieser
Geraden zu verschieben.
Die Anordnung der beiden Prismen eines solchen Prismenanamorphoten erfolgt
derart, daß
- a) das erste Prisma um eine, in der Halterung feststehende Drehachse, die durch den Mittelpunkt seiner Eintrittsfläche geht, rotierbar gelagert ist,
- b) das zweite Prisma um eine Drehachse, die durch den Mittelpunkt seiner Eintrittsfläche geht, drehbar ist und
- c) das zweite Prisma mit seiner Drehachse entlang einer bestimmten Gerade oder einer bestimmten Kurve verschiebbar ist.
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen
Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die
Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 Strahlverlauf durch Prismenanordnung mit 5-facher Vergrößerung des
Strahlprofils,
Fig. 2 Strahlverlauf durch Prismenanordnung mit 2-facher Vergrößerung des
Strahlprofils und
Fig. 3a, b Ausführungsbeispiel für Prismenanordnung
In Fig. 1 ist eine Prismenanordnung mit den Prismen 1 und 3 dargestellt, die von
einem Lichtstrahlenbündel S1, S2, S3 durchsetzt wird, wobei der Lichtstrahl S1 die
Prismenanordnung jeweils mittig durchsetzt. Das Prisma 1 ist am
Koordinatenursprung drehbar gelagert angeordnet. Das zweite Prisma 3 ist ebenso
um eine Drehachse drehbar gelagert, die durch den Schnittpunkt des Lichtstrahls S1
mit der Eintrittsfläche des Prismas 3 definiert ist. Ferner ist das zweite Prisma 3
entlang der Punkte P bewegbar. In der Anordnung gemäß Fig. 1 vergrößern die
Prismen den Lichtstrahl S1-S3 in einer Richtung um den Faktor 5, wohingegen die
Anordnung der Prismen in Fig. 2 den Lichtstrahl S1-S3 lediglich um den Faktor 2
vergrößern. Wesentlich ist jedoch, dass die Strahllage des Lichtstrahls S1 in beiden
Fällen nach dem Durchtritt durch die Prismenanordnung identisch ist (siehe S1 bei
etwa -8 entlang der Ordinate).
In den Fig. 3a, b ist ein mögliches Ausführungsbeispiel angegeben, gemäß dem
die Prismen 1 und 3 relativ zueinander mechanisch montiert werden können.
Das erste Prisma 1 wird auf einer runden Scheibe 2 befestigt, so dass die
Mittelgerade der Eintrittsseite auf dem Mittelpunkt der Scheibe 2 liegt. Dabei kann für
eine einfachere Montage die Scheibe 2 so abgefräst werden, dass die Kante der
Austrittsseite des Prismas mit der Kante der Scheibe übereinstimmt.
Das zweite Prisma 3 wird auf einer runden Scheibe 4 gleicher Größe befestigt, so
dass die Mittelgerade der Eintrittsseite auf dem Mittelpunkt der Scheibe 4 liegt.
Die beiden mit Prismen versehenen Scheiben werden in eine Trägerplatte 6 gesetzt,
welche eine runde Ausfräsung 5 in der Größe der Scheibe 2 aufweist und eine
längliche Ausfräsung 7 aufweist. Der Mittelpunkt der runden Ausfräsung 5 und die
Mittellinie der länglichen Ausfräsung 7 liegen derart zueinander, dass die oben
beschriebene Funktion gewährleistet ist.
In einer weitergehenden - hier nicht im Detail dargestellten - Ausführung werden die
Grundkörper 2 und 4, auf denen die Prismen 1 und 3 befestigt sind, so gestaltet und
so miteinander verbunden, z. B. über runde oder exzentrische Zahnscheiben, dass
bei Änderung der Vergrößerung durch alleinige Drehung an Prisma 1 das zweite
Prisma sich derart mitdreht, dass sich die Gesamtvergrößerung gleichmäßig auf das
erste und zweite Prisma verteilt ist, und dabei das zweite Prisma so entlang der
Strecke bewegt wird, dass die Strahllage konstant bleibt.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind folgende Vorteile verbunden:
- a) Die Vorrichtung kann in ein Gehäuse mit einer Eintritts- und Austrittsblende dergestalt eingebaut werden, dass die Strahllage und Strahlrichtung des ein- und austretenden Strahles auf der Ein- bzw. Austrittsblende konstant bleibt und sich bei Justage der Prismen nur der Strahlquerschnitt ändert. Eine solche Justageeinheit kann einfach in feste Strahlgänge integriert werden.
- b) Durch die Drehbarkeit der Prismen gelingt es auch für verschiedene Wellenlängen, die in den Prismen aufgrund der Dispersionskunre verschieden starke Brechung erfahren, ein bestimmtes Aufweitungsverhältnis einzustellen. Damit ist die Anordnung für einen weiten Wellenlängenbereich nutzbar. Ledigliche Einschränkungen treten bei zusätzlichen Antireflexbeschichtungen auf den Prismenoberflächen auf.
- c) Bei Drehung des ersten Prismas bleibt der Eintrittsstrahl immer in der Mitte der Eintrittsfläche des Prisma und kann daher die volle Eintrittsfläche einnehmen.
- d) Laserdioden besitzen oft große Toleranzen im Abstrahlwinkel (Divergenzwinkel). Dies würde bei fest montierten Prismen dazu führen, daß der Ausgangsstrahlquerschnitt des Anamorphoten nicht immer exakt kreisförmig ist. Durch die Drehbarkeit der Prismen wird es ermöglicht, den Divergenzwinkel der einzelnen Laserdiode in der Vergrößerung zu berücksichtigen und immer ein kreisförmiges Strahlprofil zu erhalten.
- e) Das Prismenpaar kann für minimale Reflexionsverluste berechnet werden. Bei einer mittleren Vergrößerung trifft dann ein polarisierter Strahl unter dem Brewsterwinkel auf und erleidet keine Reflexionsverluste. Bei Änderung der Vergrößerung bleiben die Winkel in der Nähe des Brewsterwinkels und die Reflexionsverluste gering.
- f) Bei Drehung des zweiten Prismas bleibt der Eintrittsstrahl immer in der Mitte der Einstrittsfläche des zweiten Prismas und kann daher die volle Eintrittsfläche einnehmen.
- g) Der Drehpunkt des zweiten Prismas läßt sich entlang einer Strecke derart verschieben, dass bei Änderung der Vergrößerung, d. h. bei Drehung des ersten und/oder des zweiten Prismas, immer der Strahlversatz erhalten bleibt.
- h) Die Führung der Prismen ist derart, dass der Anwender nur die für die Justierung notwendigen Freiheitsgrade verändern kann.
- i) Bei geeigneter mechanischer Ausführung können die Freiheitsgrade der Prismen so eingeschränkt werden, dass der Anwender nur das erste Prisma drehen kann sowie das zweite Prisma nur drehen und entlang der vorberechneten Strecke verschieben kann.
- j) Bei geeigneter mechanischer Ausführung können die beiden Prismen so verbunden werden, z. B. durch Zahnräder, dass bei Änderung der Vergrößerung durch alleinige Drehung des ersten Prismas das zweite Prisma sich derart mitdreht, dass sich die Gesamtvergrößerung gleichmäßig auf beide Prismen verteilt, und dabei das zweite Prisma so entlang der Strecke bewegt wird, dass die Strahllage konstant bleibt.
Claims (8)
1. Vorrichtung zur geometrischen Strahlformung des Strahlprofils eines
Lichtstrahls mit einem ersten und einem zweiten, für den Lichtstrahl optisch
transparenten Prisma, die derart im Strahlverlauf des Lichtstrahls angeordnet sind,
dass nach Durchtritt des Lichtstrahls durch beide Prismen das Strahlprofil des
Lichtstrahls in einer Richtung senkrecht zu seiner Ausbreitungsrichtung mit einem
ersten Faktor und in einer dazu senkrechten Richtung mit einem zum ersten Faktor
unterschiedlichen zweiten Faktor aufweitbar oder verkleinerbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass das erstes Prisma um eine Drehachse drehbar
gelagert ist und das zweite Prisma um eine weitere Drehachse drehbar und relativ
zum ersten Prisma entlang einer Kurve bewegbar gelagert ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass das erste und zweite Prisma jeweils eine Eintrittsfläche und eine Austrittsfläche aufweist, über die der Lichtstrahl ein- bzw. austritt,
dass die eine sowie die andere Drehachse, um die das erste bzw. das zweite Prisma drehbar gelagert ist, mittig zu und in der Eintrittsfläche des jeweiligen Prismas verlaufen, und
dass das zweite Prisma mit seiner Drehachse entlang der Kurve bewegbar ist.
dadurch gekennzeichnet, dass das erste und zweite Prisma jeweils eine Eintrittsfläche und eine Austrittsfläche aufweist, über die der Lichtstrahl ein- bzw. austritt,
dass die eine sowie die andere Drehachse, um die das erste bzw. das zweite Prisma drehbar gelagert ist, mittig zu und in der Eintrittsfläche des jeweiligen Prismas verlaufen, und
dass das zweite Prisma mit seiner Drehachse entlang der Kurve bewegbar ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die Kurve als Gerade angenähert ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die Gerade, entlang der die Drehachse des zweiten
Prismas bewegbar ist, gegenüber der Strahlrichtung des Lichtstrahles unmittelbar vor
Eintritt in die Eintrittsfläche des ersten Prismas geneigt ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Prisma derart zueinander
angeordnet sind, dass ein mittig durch das erste Prisma hindurchtretender Lichtstrahl
mittig auf die Eintrittsfläche des zweiten Prismas auftrifft.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Prisma kinematisch derart
miteinander verbunden sind, dass bei Verdrehung des ersten Prismas eine gezielte
Verdrehung und Verschiebung des zweiten Prismas erfolgt.
7. Verfahren zur geometrischen Strahlformung des Strahlprofils eines
Lichtstrahls unter Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass eine Vergrößerung oder Verkleinerung des
Strahlprofils nach Austritt aus dem zweiten Prisma durch Verdrehen des ersten
Prismas und Verdrehen sowie Verschieben des zweiten Prismas erhalten wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass das Verdrehen des ersten und zweiten Prismas
sowie das Verschieben des zweiten Prismas derart aufeinander abgestimmt werden,
dass der Strahlversatz, den der Lichtstrahl nach Durchtritt durch beide Prismen
erfährt, gleich bleibt.
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