DE102007026730A9

DE102007026730A9 - Vorrichtung zur Erzeugung einer homogenen Winkelverteilung einer Laserstrahlung

Info

Publication number: DE102007026730A9
Application number: DE102007026730A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dipl.-Phys. Bayer
Original assignee: Limo Patentverwaltung GmbH and Co KG
Current assignee: Focuslight Germany GmbH
Priority date: 2006-06-10
Filing date: 2007-06-06
Publication date: 2008-04-17
Also published as: DE102007026730A1

Abstract

Vorrichtung zur Erzeugung einer homogenen Winkelverteilung einer Laserstrahlung (17), umfassend eine erste Homogenisiererstufe (10) mit einem ersten Substrat (1), das eine Eintrittsfläche und eine Austrittsfläche aufweist, wobei auf der Eintrittsfläche und/oder auf der Austrittsfläche ein erstes Linsenarray (4) ausgebildet ist, durch das die zu homogenisierende Laserstrahlung (17) hindurch treten kann, sowie eine zweite Homogenisiererstufe (11) mit einem zweiten Substrat (2), das eine Eintrittsfläche und eine Austrittsfläche aufweist, wobei auf der Eintrittsfläche und/oder auf der Austrittsfläche ein zweites Linsenarray (5) ausgebildet ist, durch das die aus dem ersten Linsenarray (4) ausgetretene Laserstrahlung (17) hindurch treten kann, wobei die Laserstrahlung (17) nach dem Austritt aus der zweiten Homogenisiererstufe (11) eine vergleichsweise homogene Winkelverteilung aufweist, wobei die zweite Homogenisiererstufe (11) zusätzlich zu dem zweiten Substrat (2) ein drittes Substrat (3) umfasst, das eine Eintrittsfläche und eine Austrittsfläche aufweist, wobei auf der Eintrittsfläche und/oder auf der Austrittsfläche ein drittes Linsenarray (6) ausgebildet ist, das zu dem zweiten Linsenarray (5) beabstandet ist, wobei der Abstand (d₁, d₂) zwischen dem zweiten und dem dritten Substrat (2, 3) Einfluss auf die Winkelverteilung hat.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Vorrichtung zur Erzeugung einer homogenen Winkelverteilung einer Laserstrahlung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine Mehrzahl von derartigen Vorrichtungen.
Eine Vorrichtung der vorgenannten Art ist aus der europäischen Patentanmeldung EP 1 489 439 A1 bekannt. Die darin beschriebene Vorrichtung umfasst zwei Homogenisiererstufen, die in Ausbreitungsrichtung der Strahlung hintereinander angeordnet sind. Jede dieser Stufen weist dabei ein Substrat mit einem Zylinderlinsenarray auf der Eintrittsfläche und einem dazu gekreuzten Zylinderlinsenarray auf der Austrittsfläche auf. Durch die zweistufige Ausführung kann die Laserstrahlung sowohl hinsichtlich ihrer räumlichen Verteilung, als auch hinsichtlich ihrer Winkelverteilung homogenisiert werden. Durch die Verwendung gekreuzter Zylinderlinsen kann dies hinsichtlich zweier unabhängiger Richtungen, beispielsweise bei einem Laserdiodenbarren als Laserstrahlquelle hinsichtlich der so genannten Fast-Axis und der so genannten Slow-Axis erfolgen. Der Abstand der Stufen zueinander entspricht im wesentlichen der Brennweite der zweiten Linsenarrays.
Als nachteilig bei einer derartigen Vorrichtung erweist sich die Tatsache, dass durch den Aufbau des Systems bei Austritt aus dem zweiten Linsenarray eine feste Winkelverteilung vorgegeben ist. Bei Abbildung dieser Winkelverteilung durch eine Feldlinse in eine Arbeitsebene ergibt sich eine vorgegebene Größe eines homogen ausgeleuchteten Bereichs. Beispielsweise bei der Erzeugung einer homogenen Linie mittels einer derartigen Vorrichtung ist die Länge der Linie in einer vorgegebenen Arbeitsebene durch den Aufbau der Vorrichtung, insbesondere durch die Brennweiten der Linsenarrays vorgegeben.
Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Problem ist die Schaffung einer Vorrichtung der eingangs genannten Art, die flexibler einsetzbar ist.
Dies wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht. Weiterhin gibt Anspruch 12 eine Mehrzahl von Vorrichtungen an, die dieses Problem lösen. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung.
Gemäß Anspruch 1 ist vorgesehen, dass die zweite Homogenisiererstufe zusätzlich zu dem zweiten Substrat ein drittes Substrat umfasst, das eine Eintrittsfläche und eine Austrittsfläche aufweist, wobei auf der Eintrittsfläche und/oder auf der Austrittsfläche ein drittes Linsenarray ausgebildet ist, das zu dem mindestens einen zweiten Linsenarray beabstandet ist, wobei der Abstand zwischen dem mindestens einen zweiten und dem mindestens einen dritten Substrat Einfluss auf die Winkelverteilung hat. Dabei kann beispielsweise vorgesehen sein, dass der Abstand zwischen dem zweiten und dem dritten Substrat veränderbar ist, wobei insbesondere auch der Abstand zwischen dem ersten Substrat und dem zweiten und/oder dem dritten Substrat veränderbar ist. Dadurch kann bei Bedarf die Vorrichtung derart verändert werden, dass sich die Winkelverteilung ändert beziehungsweise die Größe des ausgeleuchteten Bereichs in der Arbeitsebene ändert. Wenn also beispielsweise eine homogen ausgeleuchtete Linie in der Arbeitsebene erzeugt werden soll, kann deren Länge durch Änderung des Abstandes zwischen zweitem und drittem Substrat verändert werden. Bei Veränderung des Abstandes zwischen dem zweiten und dem dritten Substrat kann es sinnvoll sein, auch den Abstand zwischen dem zweiten und dem ersten Substrat zu ändern, weil vorzugsweise das mindestens eine erste Linsenarray in der eingangsseitigen Brennebene des aus dem mindestens einen zweiten Linsenarray und dem mindestens einen dritten Linsenarray gebildeten Linsensystems angeordnet ist.
Dazu könnte die Vorrichtung Positioniermittel umfassen, die das zweite und das dritte Substrat relativ zueinander bewegen können, wobei die Vorrichtung insbesondere auch Positioniermittel umfassen kann, die das erste Substrat relativ zu dem zweiten und/oder dem dritten Substrat bewegen können. Als Positioniermittel kommen beispielsweise Schrittmotoren in Betracht.
Bei einer alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können die drei Substrate entsprechend den Anforderungen des Einzelfalls beispielsweise auf einer gemeinsamen Basisplatte angeordnet und verklebt werden. Trotzdem ergibt sich eine variable Fertigung, weil entsprechend den Anforderungen des Einzelfalls spezielle Vorrichtungen zusammen gesetzt werden können, wobei lediglich drei verschiedene Substrate lagermäßig vorgehalten werden müssen. Durch Veränderung der Abstände zwischen den Substraten kann Einfluss auf die Winkelverteilung am Ausgang und damit auf die Größe der ausgeleuchteten Fläche in der Arbeitsebene genommen werden. Hier liegt somit beispielsweise bei dem Hersteller eine Mehrzahl von Vorrichtung gemäß Anspruch 12 vor, bei der der Abstand zwischen dem mindestens einen zweiten und dem mindestens einen dritten Substrat bei mindestens zwei der Mehrzahl von Vorrichtungen verschieden voneinander ist.
Es besteht die Möglichkeit, dass die Vorrichtung als Feldlinse dienende Linsenmittel umfasst, durch die die Laserstrahlung nach Austritt aus dem mindestens einen dritten Linsenarray hindurch treten kann, so dass in einer Arbeitsebene ein von der Laserstrahlung homogen ausgeleuchteter Bereich entsteht. Durch derartige Linsenmittel kann beispielsweise auch bei entsprechender Gestaltung der Linsenarrays beziehungsweise bei entsprechender Auswahl der zu homogenisierenden Laserstrahlung in der Arbeitsebene eine homogen ausgeleuchtete Linie erzeugt werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Darin zeigen
1 eine schematische Seitenansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
2 eine schematische Seitenansicht eines angenommenen Systems, das hinsichtlich seiner Eigenschaften der Vorrichtung gemäß 1 entspricht;
3 eine schematische Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
4 eine schematische Seitenansicht eines angenommenen Systems, das hinsichtlich seiner Eigenschaften der Vorrichtung gemäß 3 entspricht.
In den Abbildungen ist zur besseren Übersichtlichkeit jeweils ein kartesisches Koordinatensystem eingezeichnet. Von links in den Figuren, beziehungsweise in positiver Z-Richtung kann Laserstrahlung, beispielsweise von einem Halbleiterlaser, insbesondere einem Laserdiodenbarren auf die erfindungsgemäße Vorrichtung auftreffen.
Die aus 1 ersichtliche Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst ein erstes Substrat 1, ein zweites Substrat 2 und ein drittes Substrat 3. Die Substrate 1, 2, 3 sind beispielsweise aus Glas oder einem anderen für bestimmtes Licht transparenten Material gefertigt. Jedes der Substrate 1, 2, 3 weist eine, in 1 jeweils links angeordnete, Eintrittsfläche und eine, in 1 jeweils rechts angeordnete, Austrittsfläche für das zu homogenisierende Licht auf.
Auf einem jeden der Substrate 1, 2, 3 ist ein Linsenarray 4, 5, 6 angeordnet. Dabei ist das erste Linsenarray 4 als Array von konvexen Linsen 7 auf der Austrittsseite des Substrates 1 ausgebildet. Die Eintrittsseite ist nicht mit konkaven oder konvexen Strukturen versehen, so dass sich insgesamt ein Array von plankonvexen Linsen ergibt. In 1 sind zur Vereinfachung nur drei Linsen 7 eingezeichnet, es besteht jedoch durchaus die Möglichkeit, deutlich mehr Linsen 7 als drei vorzusehen.
Das zweite Linsenarray 5 ist als Array von konkaven Linsen 8 auf der Eintrittsseite des Substrates 2 ausgebildet. Die Austrittsseite ist nicht mit konkaven oder konvexen Strukturen versehen, so dass sich insgesamt ein Array von plankonkaven Linsen ergibt. Auch hier besteht durchaus die Möglichkeit, deutlich mehr Linsen 8 als drei vorzusehen.
Das dritte Linsenarray 6 ist als Array von konvexen Linsen 9 auf der Eintrittsseite des Substrates 3 ausgebildet. Die Austrittsseite ist nicht mit konkaven oder konvexen Strukturen versehen, so dass sich insgesamt ein Array von plankonvexen Linsen ergibt. Auch hier besteht durchaus die Möglichkeit, deutlich mehr Linsen 9 als drei vorzusehen.
Das erste Substrat 1 mit dem ersten Linsenarray 4 bildet eine erste Homogenisiererstufe 10. Das zweite Substrat 2 mit dem zweiten Linsenarray 5 bildet zusammen mit dem dritten Substrat 3 beziehungsweise mit dem dritten Linsenarray 6 eine zweite Homogenisiererstufe 11.
Die Linsen 7, 8, 9 sind jeweils als Zylinderlinsen ausgebildet, deren Zylinderachsen sich in Y-Richtung erstrecken. Somit homogenisiert die Vorrichtung die in Z-Richtung propagierende Laserstrahlung nur hinsichtlich der X-Richtung. Um eine Homogenisierung auch hinsichtlich der Y-Richtung zu erzielen, könnte eine ähnlich aufgebaute Vorrichtung mit Zylinderlinsen, deren Zylinderachsen sich in X-Richtung erstrecken, hinter der abgebildeten Vorrichtung angeordnet werden. Weiterhin besteht beispielsweise auch die Möglichkeit, die Substrate der auf die X-Richtung und die Y-Richtung wirkenden Vorrichtungen abwechselnd anzuordnen. Weiterhin könnte vorgesehen sein, Zylinderlinsen mit sich in X-Richtung erstreckenden Zylinderachsen auf der Eintrittsfläche und Zylinderlinsen mit sich in Y-Richtung erstreckenden Zylinderachsen auf der Austrittsfläche der einzelnen Substrate vorzusehen. Auch auf diese Weise könnte eine Homogenisierung hinsichtlich beider Richtungen X, Y erreicht werden.
Es besteht alternativ durchaus die Möglichkeit sphärische Linsen anstelle der Zylinderlinsen vorzusehen.
Weiterhin umfasst die in 1 abgebildete Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung als bikonvexe Feldlinse ausgebildete Linsenmittel 12. Diese Linsenmittel 12 können beispielsweise so angeordnet sein, dass sich die Austrittsfläche des dritten Substrats 3 in der eingangsseitigen Brennebene der Linsenmittel 12 befindet. In einer Arbeitsebene 13 (siehe 2), die beispielsweise in der ausgangsseitigen Brennebene der Linsenmittel 12 angeordnet ist, ergibt sich dann ein ausgeleuchteter Bereich 14, dessen Größe von dem Pitch p (siehe 1) der einzelnen Linsen 7 des ersten Linsenarrays 4 in X-Richtung und von der Gesamtbrennweite f_1ges (siehe 2) des durch die beiden Linsenarrays 5, 6 gebildeten Systems abhängt.
In 2 ist zur Verdeutlichung der Erfindung ein System eingezeichnet, das hinsichtlich seiner Funktion der Vorrichtung gemäß 1 entspricht. Die beiden Substrate 2, 3 mit den Linsenarrays 5, 6 wurden durch ein einzelnes Substrat 15 mit einem Linsenarray 16 ersetzt. Dabei entspricht die Brennweite f_ges des Linsenarrays 16 der Brennweite des durch das zweite und das dritte Linsenarray 5, 6 gebildeten Systems. Für dünne Linsen und einen kleinen Abstand zwischen den Linsen ergibt sich die Systembrennweite f_ges näherungsweise durch die bekannte Formel 1/f_1ges = 1/f₈ + 1/f₉ – d₁/(f₈·f₉), wobei d₁ der Abstand zwischen den Linsenarrays 5, 6 ist (siehe 1) und wobei f₈ die Brennweite der Linsen 8 sowie f₉ die Brennweite der Linsen 9 ist. Insbesondere ist das erste Linsenarray 4 in der eingangsseitigen Brennebene des Systems aus dem zweiten Linsenarray 5 und dem dritten Linsenarray 6 angeordnet. Dies wird auch in 2 verdeutlicht, der sich der Abstand f_1ges zwischen dem „System-Linsenarray" 16 und dem ersten Linsenarray 4 entnehmen lässt.
Anhand des Ersatzsystems in 2 ist auch die Homogenisierung der einfallenden Laserstrahlung 17 verdeutlicht. Insbesondere ergibt sich in der Arbeitsebene 13 ein ausgeleuchteter Bereich 14, der beispielsweise linienförmig ist. Die Ausdehnung dieses ausgeleuchteten Bereichs in X-Richtung ist abhängig von dem Winkel α₁ zwischen dem die zweite Homogenisiererstufe 11 verlassenden Licht und der Z-Richtung (siehe 2). Dieser Winkel α₁ ist wiederum abhängig von dem Pitch p und der Gesamtbrennweite f_1ges des Systems aus dem zweiten Linsenarray 5 und dem dritten Linsenarray 6.
Aus 3 ist eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ersichtlich, bei der gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen wie in 1 und 2 versehen sind. Die Vorrichtung gemäß 3 unterscheidet sich von der gemäß 1 lediglich durch den Abstand d₂ zwischen dem zweiten Linsenarray 5 und dem dritten Linsenarray 6 (siehe 3), der größer ist als der Abstand d₁ bei der Vorrichtung gemäß 1, sowie durch den Abstand zwischen dem zweiten Linsenarray 5 und dem ersten Linsenarray 4. Dieser Abstand wurde entsprechend der veränderten Systembrennweite f_2ges (siehe 4) angepasst, so dass weiterhin das erste Linsenarray 4 in der eingangsseitigen Brennebene des Systems aus dem zweiten Linsenarray 5 und dem dritten Linsenarray 6 angeordnet ist.
Aufgrund der veränderten Systembrennweite f_2ges verändert sich auch der Winkel α₂ zwischen dem die zweite Homogenisiererstufe 11 verlassenden Licht und der Z-Richtung (siehe 4). Da f_2ges bei der Vorrichtung gemäß 3 beziehungsweise 4 kleiner ist als f_1ges bei der Vorrichtung gemäß 1 beziehungsweise 2, ist der Winkel α₂ größer als der Winkel α₁. Damit ist aber der ausgeleuchtete Bereich 18 in der Arbeitsebene 13 der Vorrichtung gemäß 3 beziehungsweise 4 in X-Richtung größer als bei der Vorrichtung gemäß 1 beziehungsweise 2. Durch Veränderung des Abstandes zwischen dem zweiten Linsenarray 5 und dem dritten Linsenarray 6 und entsprechende Anpassung des Abstandes zwischen dem zweiten Linsenarray 5 und dem ersten Linsenarray 4 kann somit die Größe des ausgeleuchteten Bereichs in der Arbeitsebene beeinflusst werden.

Claims

Vorrichtung zur Erzeugung einer homogenen Winkelverteilung einer Laserstrahlung (17), umfassend – eine erste Homogenisiererstufe (10) mit einem ersten Substrat (1), das eine Eintrittsfläche und eine Austrittsfläche aufweist, wobei auf der Eintrittsfläche und/oder auf der Austrittsfläche ein erstes Linsenarray (4) ausgebildet ist, durch das die zu homogenisierende Laserstrahlung (17) hindurch treten kann; – eine zweite Homogenisiererstufe (11) mit einem zweiten Substrat (2), das eine Eintrittsfläche und eine Austrittsfläche aufweist, wobei auf der Eintrittsfläche und/oder auf der Austrittsfläche ein zweites Linsenarray (5) ausgebildet ist, durch das die aus dem ersten Linsenarray (4) ausgetretene Laserstrahlung (17) hindurch treten kann, wobei die Laserstrahlung (17) nach dem Austritt aus der zweiten Homogenisiererstufe (11) eine vergleichsweise homogene Winkelverteilung aufweist; dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Homogenisiererstufe (11) zusätzlich zu dem zweiten Substrat (2) ein drittes Substrat (3) umfasst, das eine Eintrittsfläche und eine Austrittsfläche aufweist, wobei auf der Eintrittsfläche und/oder auf der Austrittsfläche ein drittes Linsenarray (6) ausgebildet ist, das zu dem zweiten Linsenarray (5) beabstandet ist, wobei der Abstand (d₁, d₂) zwischen dem zweiten und dem dritten Substrat (2, 3) Einfluss auf die Winkelverteilung hat.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine erste Linsenarray (4) in der eingangsseitigen Brennebene des aus dem mindestens einen zweiten Linsenarray (5) und dem mindestens einen dritten Linsenarray (6) gebildeten Linsensystems angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (d₁, d₂) zwischen dem zweiten und dem dritten Substrat (2, 3) veränderbar ist, wobei insbesondere auch der Abstand zwischen dem ersten Substrat (1) und dem zweiten und/oder dem dritten Substrat (2, 3) veränderbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Positioniermittel umfasst, die das zweite und das dritte Substrat (2, 3) relativ zueinander bewegen können, wobei die Vorrichtung insbesondere auch Positioniermittel umfasst, die das erste Substrat (1) relativ zu dem zweiten und/oder dem dritten Substrat (2, 3) bewegen können.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung als Feldlinse dienende Linsenmittel (12) umfasst, durch die die Laserstrahlung (17) nach Austritt aus dem mindestens einen dritten Linsenarray (6) hindurch treten kann, so dass in einer Arbeitsebene (13) ein von der Laserstrahlung (17) homogen ausgeleuchteter Bereich (14, 18) entsteht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Linsenarrays (4, 5, 6) jeweils eine Mehrzahl von sphärischen Linsen aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Linsenarrays (4, 5, 6) jeweils eine Mehrzahl von Zylinderlinsen (7, 8, 9) aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderachsen der Zylinderlinsen (7, 8, 9) parallel zueinander ausgerichtet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Substrate (1, 2, 3) jeweils auf ihrer Eintrittsfläche und auf ihrer Austrittsfläche eine Mehrzahl von Zylinderlinsen (7, 8, 9) aufweisen, wobei die Zylinderachsen der auf der jeweiligen Eintrittsfläche und der jeweiligen Austrittsfläche angeordneten Zylinderlinsen (7, 8, 9) senkrecht zueinander ausgerichtet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zwei erste Substrate (1) mit zwei ersten Linsenarrays (4), zwei zweite Substrate (2) mit zwei zweiten Linsenarrays (5) und zwei dritte Substrate (3) mit zwei dritten Linsenarrays (6) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderachsen der ersten Linsenarrays (4) senkrecht zueinander angeordnet sind und/oder dass die Zylinderachsen der zweiten Linsenarrays (5) senkrecht zueinander angeordnet sind und/oder dass die Zylinderachsen der dritten Linsenarrays (6) senkrecht zueinander angeordnet sind.
Mehrzahl von Vorrichtungen nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (d₁, d₂) zwischen dem mindestens einen zweiten und dem mindestens einen dritten Substrat (2, 3) bei mindestens zwei der Mehrzahl von Vorrichtungen verschieden voneinander ist.