DE102009000590A1 - Vorrichtung zum Projizieren eines Lichtstrahls - Google Patents

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Abstract

Vorrichtung (3) zum Projizieren eines Lichtstrahls, bestehend aus einer Strahlquelle (2) zum Erzeugen eines primären Lichtstrahls (5) und einer Strahlformungsoptik (3) zur Strahlformung der Leistungsdichteverteilung des primären Lichtstrahls (5) in einen sekundären Lichstrahl (10), wobei die Strahlformungsoptik (3) derart ausgebildet ist, dass die Leistungsdichteverteilung des sekundären Lichtstrahls (10) senkrecht zur Ausbreitungsrichtung (6) ein zentrales Minimum (13) aufweist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Projizieren eines Lichtstrahls bestehend aus einer Strahlquelle zum Erzeugen eines primären Lichtstrahls und einer Strahlformungsoptik zur Strahlformung der Leistungsdichteverteilung des primären Lichtstrahls in einen sekundären Lichtstrahl.
  • In der Bauindustrie, im Elektro- und Installationshandwerk werden Baulaser zur Definition, Übertragung und Nivellierung von Ebenen, Linien und Punkten eingesetzt. Dabei werden unter dem Begriff Baulaser sowohl statische Lasergeräte, wie Punkt- und Linienlaser, als auch Rotationslaser zusammengefasst. Punkt- oder Linienlaser erzeugen einen oder mehrere Punkt- oder linienförmige Laserstrahlen. Bei Multidirektionallasern werden Laserstrahlen in mehrere Raumrichtungen ausgesandt. Rotationslaser senden einen zu der Längsachse parallel verlaufenden Laserstrahl und einen rechtwinklig um die Längsachse rotierenden Laserstrahl aus, wobei der rotierende Laserstrahl durch eine motorisch angetriebene Umlenkoptik, die als Umlenkprisma oder als Umlenkspiegel ausgebildet sein kann, erzeugt wird. Rotationslaser werden vor allem eingesetzt, um auf Wänden, Decken und Böden horizontale, vertikale oder um einen bestimmten Winkel geneigte Ebenen oder Abschnitte von Ebenen oder Linien festzulegen.
  • Der Laserstrahl hinterlässt keine bleibende Markierung auf dem jeweiligen Objekt. Eine bleibende Markierung muss manuell vom Anwender oder automatisch mit Hilfe von Markierwerkzeugen auf das Objekt übertragen werden. Abhängig von den Umgebungsbedingungen und der Arbeitsentfernung, d. h. der Entfernung des Laserstrahls von der Austrittsöffnung der Strahlquelle bis zur markierten Stelle auf dem Objekt, können die Sichtbarkeit und die Genauigkeit des Laserstrahls eingeschränkt sein. Mit Hilfe von Zieltafeln oder Laserempfängern kann die Sichtbarkeit des Laserstrahls verbessert werden. Allerdings hat dieses Zubehör keinen Einfluss auf die Größe des Laserstrahldurchmessers auf dem Objekt und damit die Genauigkeit, mit der ein Anwender, die Mittenposition des Laserstrahls auf das Objekt übertragen kann.
  • Um den Durchmesser eines Laserstrahls auf einem Objekt zu reduzieren, ist es bekannt, den Laserstrahl mit Hilfe einer Fokussieroptik auf eine Fokusfläche, die auch als Fokuspunkt bezeichnet wird, zu fokussieren. Je höher die Strahlqualität des Laserstrahls ist, umso besser lässt sich der Laserstrahl auf einen Fokuspunkt fokussieren. Hinter dem Fokuspunkt nimmt der Laserstrahldurchmesser aufgrund der Divergenz wieder zu und der Laserstrahl weitet sich auf.
  • Der Einsatz einer Fokussieroptik ist aber auch mit Nachteilen verbunden: Um einen Laserstrahl in einer Arbeitsentfernung von etwa 80 m auf eine Fläche mit einem Durchmesser kleiner als 2 mm zu fokussieren, sind aufgrund der Beugung und der Divergenz des Laserstrahls Austrittsöffnungen der Laserstrahlquellen erforderlich, die etwa dreimal so groß sind wie die Austrittsöffnungen bei typischen Baulasern, die eine Größe von etwa 10 mm nicht überschreiten. Bei einer Wellenlänge von 635 nm ergeben sich Austrittsöffnungen von etwa 30 mm. Eine größere Austrittsöffnung des Laserstrahls führt in der Folge dazu, dass alle weiteren optischen Elemente, die im Strahlengang des Laserstrahls hinter der Austrittsöffnung angeordnet sind, entsprechend größer dimensioniert werden müssen.
  • Die Leistungsdichteverteilung eines Laserstrahls lässt sich mit Hilfe von diffraktiven oder refraktiven optischen Elementen in einer Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls verändern. Dieser Vorgang wird als Strahlformung bezeichnet und die dazu geeigneten optischen Elemente als Strahlformungsoptiken.
  • EP 0 689 080 offenbart eine Vorrichtung zum Projizieren eines Laserstrahls, mit der die Mittenposition des Laserstrahls mit einer einfachen Konfiguration und zu geringen Kosten bestimmt werden kann. Die Vorrichtung besteht aus einer Strahlquelle zum Erzeugen und Aussenden eines primären Laserstrahls und einer Strahlformungsoptik zur Strahlformung der Leistungsdichteverteilung des primären Laserstrahls in einen sekundären Laserstrahl. Die Strahlformungsoptik umfasst eine Fokussierlinse, eine Blende und eine Kollimationslinse, die im Strahlengang des Laserstrahls hintereinander angeordnet sind und nacheinander vom Laserstrahl passiert werden. Der Laserstrahl wird nach dem Austritt aus der Strahlquelle durch die Fokussierlinse fokussiert und durch die Blende geformt, wobei die Blende im Bereich des Fokuspunktes angeordnet ist. Der Blendendurchmesser ist so eingestellt, dass unerwünschte Laserstrahlanteile ausgeblendet werden und sich eine im Wesentlichen kreisförmige Leistungsdichteverteilung einstellt.
  • Aus DE 38 33 153 A1 ist ein Verfahren zum Erfassen des Zentrums eines von einem Baulaser projizierten Laserstrahls mittels mindestens zweier spiegelbildlich zu einer Null-Linie angeordneten laserempfindlichen, signalgebenden Empfangselementen bekannt. Die selbstjustierende Empfangsvorrichtung der DE 38 33 153 A1 weist mehrere Fotodioden auf, die es ermöglichen, dass beim Auftreffen des Laserstrahls auf eine der Fotodioden oberhalb oder unterhalb der Null-Linie ein Steuersignal erzeugt wird, welches einen Schlitten, auf dem die Fotodioden spiegelbildlich zu der festgelegten Null-Linie angeordnet sind, so lange automatisch in der einen oder anderen Richtung verschoben wird, bis das Zentrum des projizierten Laserstrahls genau in Höhe der Null-Linie auftrifft und die Empfangsvorrichtung einjustiert ist.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht demgegenüber darin, eine Vorrichtung zum Projizieren eines Lichtstrahls bereitzustellen, die es ermöglicht, dass ein Anwender ohne zusätzliche Hilfsmittel die Mittenposition des Lichtstrahls mit höherer Genauigkeit auf ein Objekt übertragen kann.
  • Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Strahlformungsoptik derart ausgebildet ist, dass die Leistungsdichteverteilung des sekundären Lichtstrahls senkrecht zur Ausbreitungsrichtung ein zentrales Minimum aufweist.
  • Der Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Projizieren eines Lichtstrahls liegt somit darin, dass der Anwender die Mittenposition des Lichtstrahls nicht als Zentrum eines hellen Lichtflecks bestimmt, sondern die Mittenposition in einem Minimum liegt. Bevorzugt ist die Strahlformungsoptik derart ausgebildet, dass die Breite des zentralen Minimums kleiner als die Breite des entsprechenden Airy-Scheibchens ist. Je kleiner die Breite des zentralen Minimums ist, umso genauer kann der Anwender die Mittenposition des Lichtstrahls bestimmen und die Markierung auf das Objekt übertragen.
  • Bevorzugt ist die Strahlformungsoptik als Phasenelement, insbesondere bevorzugt als eindimensionales oder zweidimensionales Phasenelement ausgebildet. Phasenelemente bieten gegenüber Amplitudenelementen den Vorteil, dass die Amplitude des Lichtstrahls nicht verringert wird und keine Leistungsverluste auftreten.
  • In einer vorteilhaften Ausführung ist die Strahlformungsoptik derart ausgebildet, dass die Leistungsdichteverteilung des sekundären Lichtstrahls senkrecht zur Ausbreitungsrichtung zwei lokale Maxima aufweist, die das zentrale Minimum begrenzen. Eine solche Leistungs dichteverteilung mit einem zentralen Minimum bietet die Möglichkeit, die Mittenposition des Lichtstrahls in einem Rotationslaser, bei dem der Lichtstrahl über eine rotierende Umlenkoptik abgelenkt wird, genau zu bestimmen. Bei einer Leistungsdichteverteilung mit mehreren ringförmigen Beugungsringen kommt es bei der Rotation des Laserstrahls aufgrund der Leistung in den äußeren Beugungsringen zu einer Aufhellung im Zentrum, so dass die Bestimmung der Mittenposition erschwert ist.
  • Bevorzugt ist das Phasenelement als eindimensionales Phasenelement mit linearen, parallel angeordneten Phasenstreifen ausgebildet. Die Anzahl, die Form und Abmessungen der Phasenstreifen sowie der Abstand zwischen den Phasenstreifen des Phasenelements werden so ausgewählt bzw. schrittweise angepasst, dass der sekundäre Lichtstrahl ein zentrales Minimum aufweist.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist die Strahlformungsoptik derart ausgebildet, dass die Leistungsdichteverteilung des sekundären Lichtstrahls senkrecht zur Ausbreitungsrichtung ein ringförmiges Maximum, das das zentrale Minimum begrenzt, aufweist.
  • Bevorzugt ist das Phasenelement als zweidimensionales Phasenelement mit konzentrischen Phasenstreifen ausgebildet, wobei die Phasenstreifen insbesondere bevorzugt kreisförmig ausgebildet sind. Die Anzahl, die Form und Abmessungen der Phasenstreifen sowie der Abstand zwischen den Phasenstreifen des Phasenelements werden so ausgewählt bzw. schrittweise angepasst, dass der sekundäre Lichtstrahl ein zentrales Minimum, das von einem ringförmigen Maximum umgeben ist, aufweist.
  • In einer bevorzugten Ausführung ist im Strahlengang des primären oder sekundären Lichtstrahls eine weitere Optik vorgesehen, wobei die Strahlformungsoptik auf der der Strahlquelle zugewandten Eintrittsseite der Optik oder auf der der Strahlquelle abgewandten Austrittsseite der Optik angeordnet ist.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführung sind die Strahlformungsoptik und die Optik als ein gemeinsames optisches Element ausgebildet. Dabei ist die Strahlformungsoptik insbesondere bevorzugt an der Eintrittsfläche oder der Austrittsfläche eines Pentaprismas ausgebildet.
  • Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeig ten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
  • Es zeigen:
  • 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Projizieren eines Lichtstrahls auf ein Objekt;
  • 2a, b einen primären Laserstrahl mit einem zentralen Maximum (2a) und einen sekundären Laserstrahl mit einem zentralen Minimum (2b);
  • 3a, b einen Rotationslaser mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Projizieren eines Laserstrahls, wobei die Strahlformungsoptik im Strahlengang hinter einer rotierenden Umlenkoptik (3a) oder vor der rotierenden Umlenkoptik (3b) angeordnet ist;
  • 4 einen Multidirektionallaser mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Projizieren eines Lichtstrahls;
  • 5a–c ein eindimensionales Phasenelement in einer Draufsicht (5a) und einem Querschnitt (5b) sowie die Leistungsdichteverteilung des sekundären Laserstrahls senkrecht zur Ausbreitungsrichtung (5c); und
  • 6a–c ein zweidimensionales Phasenelement in einer Draufsicht (6a) und einem Querschnitt (6b) sowie die Leistungsdichteverteilung des sekundären Laserstrahls senkrecht zur Ausbreitungsrichtung (6c).
  • 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zum Projizieren eines Lichtstrahls auf ein Objekt bestehend aus einer Strahlquelle 2 und einer Strahlformungsoptik 3. Die Strahlquelle 2 ist bspw. ein Halbleiterlaser, der einen Laserstrahl im sichtbaren Spektrum, bspw. einen roten Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 635 nm oder einen grünen Laserstrahl mit 532 nm, erzeugt.
  • Die Laserleistung ist aus Sicherheitsgründen begrenzt. Daher ist es wichtig, dass die verfügbare Laserleistung möglichst im Zentrum des Laserstrahls konzentriert ist und auf dem zu markierenden Objekt ein begrenzter, sichtbarer Laserfleck entsteht, so dass die Mittenposition des Laserstrahls gut auf das Objekt übertragen werden kann. Der Grundmode, der eine gaußförmige Leistungsdichteverteilung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung aufweist, stellt eine bevorzugte Strahlverteilung des Laserstrahls dar. Der Grundmode weist von allen transversalen Lasermoden in einem Laserresonator den kleinsten Strahldurchmesser, die geringste Divergenz und damit die höchste Strahlqualität auf. Aufgrund der höchsten Strahlqualität lässt sich der Grundmode von allen Lasermoden am besten fokussieren und auf grund der geringsten Divergenz zeigt der Grundmode bei der Übertragung über weite Strecken die geringste Aufweitung.
  • Der Laserstrahl verlässt die Strahlquelle 2 an einer Austrittsöffnung 4 als primärer Laserstrahl 5. Die Austrittsöffnung 4 stellt eine Blende dar, an der der Laserstrahl gebeugt wird. Bei der Beugung eines Laserstrahls an einer Kreisblende ergibt sich im Fernfeld eine Leistungsdichteverteilung wie in 2a gezeigt. 2a zeigt einen Schnitt durch die Leistungsdichteverteilung des primären Laserstrahls 5 senkrecht zur Ausbreitungsrichtung, die parallel zu der optischen Achse 6 verläuft. Der primäre Laserstrahl 5 ist annähernd rotationssymmetrisch um die optische Achse 6 ausgebildet und besteht aus mehreren Beugungsordnungen. Im Zentrum, d. h. auf der optischen Achse 6, weist der primäre Laserstrahl 5 ein Maximum 7 auf, das im Weiteren als zentrales Maximum 7 bezeichnet wird. Die Energie des primären Laserstrahls 5 befindet sich vor allem in der nullten Beugungsordnung, die das zentrale Maximum 7 umfasst und als Airy-Scheibchen bezeichnet wird. Weicht die Austrittsöffnung 4 der Strahlquelle 2 von der Kreisform ab, verändern sich die Form des zentralen Maximums und die Form der höheren Beugungsordnungen. Durch Beugung an einer quadratischen Austrittsöffnung 4 entsteht ein primärer Laserstrahl 5 mit annähernd quadratischer Grundfläche.
  • Nach dem Austritt des primären Laserstrahls 5 aus der Austrittsöffnung 4 der Strahlquelle 2 kommt es aufgrund der Divergenz zu einer Aufweitung des primären Laserstrahls 5, d. h. der Strahldurchmesser des primären Laserstrahls 5 nimmt mit der Entfernung des Laserstrahls von der Strahlquelle 2 zu. Je höher die Strahlqualität eines Laserstrahls ist, desto geringer sind die Divergenz und damit die Aufweitung des Laserstrahls. Mit Hilfe einer Kollimationsoptik 8 wird der primäre Laserstrahl 5 kollimiert und ein paralleler Laserstrahl 9 erzeugt, der auf die Strahlformungsoptik 3 auftrifft.
  • Die Strahlformungsoptik 3 ist in der in 1 gezeigten Ausführung als eindimensionales Phasenelement mit linear verlaufenden, parallel angeordneten Phasenstreifen ausgebildet. Ein Phasenelement lässt die Amplitude einer durchtretenden Lichtwelle unbeeinflusst. Durch einen ortsabhängigen Brechungsindex wird die Phase der Lichtwelle unterschiedlich beeinflusst, so dass sich direkt hinter dem Phasenelement eine periodische Phasenverschiebung ergibt. Die Phasenverschiebung wird durch eine periodische Modulation des Brechungsindex (Hologramm) oder durch eine Stufenstruktur der Oberfläche (Phasengitter) erreicht. Der Aufbau eines eindimensionalen Phasenelements ist in Zusammenhang mit 5a–c näher dargestellt.
  • Das in 1 verwendete eindimensionale Phasenelement 3 erzeugt einen sekundären Laserstrahl 10 wie in 2b gezeigt. 2b zeigt einen Schnitt durch die Leistungsdichteverteilung des sekundären Laserstrahls 10 senkrecht zur Ausbreitungsrichtung 6. Der sekundäre Laserstrahl 10 weist ein erstes annähernd kreisförmiges Maximum 11 und ein zweites annähernd kreisförmiges Maximum 12 auf, die durch ein Minimum 13, das im Weiteren als zentrales Minimum 13 bezeichnet wird, voneinander getrennt sind. Die Amplituden der beiden Maxima 11, 12 des sekundären Laserstrahls 10 sind geringer als die Amplitude des zentralen Maximums 7 des primären Laserstrahls 5, da die Leistung des Laserstrahls unverändert ist. Die Mittenposition, d. h. das Zentrum, des sekundären Laserstrahls 10 lässt sich möglichst genau bestimmen, wenn das zentrale Minimum 13 auf dem zu markierenden Objekt sehr schmal ist, bspw. das zentrale Minimum 13 nicht breiter als der Durchmesser des Airy-Scheibchens in der entsprechenden Entfernung ist.
  • Der in 2b gezeigte sekundäre Laserstrahl 10 weist eine Spiegelsymmetrie bezüglich der optischen Achse 6 auf und die Amplituden der Maxima 11, 12 stimmen annähernd überein. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 erzeugt auch dann einen sekundären Laserstrahl mit einem zentralen Minimum, wenn der primäre Laserstrahl 5 nicht symmetrisch, sondern seitlich verschoben auf das Phasenelement 3 auftrifft. In diesem Fall weist der sekundäre Laserstrahl zwei lokale Maxima mit unterschiedlichen Amplituden auf.
  • 3a zeigt eine erste Ausführungsform eines Rotationslasers 20 mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 21 zum Projizieren eines Lichtstrahls bestehend aus der Strahlquelle 2 mit der Austrittsöffnung 4, an der der primäre Laserstrahl 5 aus der Strahlquelle 2 austritt, und einer Strahlformungsoptik 22.
  • Der Rotationslaser 20 weist ein Pentaprisma 23 auf, das um eine Drehachse 24 drehbar gelagert ist. Das Pentaprisma 23 umfasst vier optische Flächen, eine Eintrittsfläche 25, zwei Reflexionsflächen 26, 27 und eine Austrittsfläche 28. Die optischen Flächen 2528 des Pentaprismas 23 sind derart an die Wellenlänge des Laserstrahls angepasst, dass die Ein- und Austrittsflächen 25, 28 im Wesentlichen transmittierend und die Reflexionsflächen 26, 27 im Wesentlichen reflektierend für den Laserstrahl ausgebildet sind. Damit die verfügbare Leistung des Laserstrahls möglichst vollständig das zu markierende Objekt erreicht, sind die Transmissionsgrade der Ein- und Austrittsflächen 25, 28 und die Reflexionsgrade der Reflexionsflächen 26, 27 des Pentaprismas 23 möglichst groß.
  • Der primäre Laserstrahl 5 trifft nach dem Austritt aus der Austrittsöffnung 4 der Strahlquelle 2 auf die Kollimationsoptik 8, die den primären Laserstrahl 5 kollimiert und den parallelen La serstrahl 9 erzeugt. Der parallele Laserstrahl 9 trifft auf die Eintrittsfläche 25 des Pentaprismas 23, wird an der Eintrittsfläche 25 zumindest teilweise transmittiert und trifft auf die erste Reflexionsfläche 26, an der er zumindest teilweise reflektiert wird. Der reflektierte Laserstrahl trifft auf die zweite Reflexionsfläche 27, an der er ebenfalls zumindest teilweise reflektiert wird. Die erste und zweite Reflexionsfläche 26, 27 sind so zueinander angeordnet, dass der von der zweiten Reflexionsfläche kommende reflektierte Laserstrahl senkrecht zum auf die Eintrittsfläche 25 einfallenden Laserstrahl ausgerichtet ist. Der reflektierte Laserstrahl trifft auf die Austrittsfläche 28 des Pentaprismas 23 und wird an der Austrittsfläche 28 zumindest teilweise transmittiert.
  • Die Strahlformungsoptik 22 ist im Strahlengang des Laserstrahls auf der der Strahlquelle 2 abgewandten Austrittsseite des Pentaprismas 23 angeordnet. Die Strahlformungsoptik 22 ist als eindimensionales Phasenelement mit linear verlaufenden, parallel angeordneten Phasenstreifen ausgebildet und erzeugt einen sekundären Laserstrahl 29 mit einer Leistungsdichteverteilung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung 30 wie in 2b gezeigt. Die Leistungsdichteverteilung des sekundären Laserstrahls 29 weist im Bereich der optischen Achse 30 ein zentrales Minimum auf.
  • 3b zeigt eine zweite Ausführungsform eines Rotationslasers 40 mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 41 zum Projizieren eines Lichtstrahls bestehend aus der Strahlquelle 2 und einer Strahlformungsoptik 42. Der Rotationslaser 40 unterscheidet sich von dem in 3a gezeigten Rotationslaser 20 dadurch, dass die Strahlformungsoptik 42 im Strahlengang des Laserstrahls auf der der Strahlquelle 2 zugewandten Eintrittsseite des Pentaprismas 23 angeordnet ist. Außerdem weist der Rotationslaser 40 zusätzlich eine Fokussieroptik 43 auf.
  • Der primäre Laserstrahl 5 trifft nach dem Austritt aus der Austrittsöffnung 4 der Strahlquelle 2 auf die Fokussieroptik 43, die den Laserstrahl auf einen Fokuspunkt 44 fokussiert. Die Lage des Fokuspunktes 44 kann über eine Verstelleinrichtung 45 verändert werden. Die Fokussieroptik 43 ist in der Ausführung von 3b als Flüssigkeitslinse ausgebildet, deren Krümmung über eine angelegte Spannung variierbar ist. Die Lage des Fokuspunktes 44 wird über die Krümmung der Flüssigkeitslinse eingestellt. Der aus der Fokussieroptik 43 austretende Laserstrahl wird als fokussierter Laserstrahl 46 bezeichnet. Der fokussierte Laserstrahl 46 trifft auf die Strahlformungsoptik 42, die einen sekundären Laserstrahl 47 mit einem zentralen Minimum im Bereich der optischen Achse 48 erzeugt.
  • 3b zeigt eine Ausführung, bei der die Strahlformungsoptik 42 und das Pentaprisma 23 als ein gemeinsames optisches Element ausgebildet sind. Die Strahlformungsoptik 42 ist in die Eintrittsfläche 25 des Pentaprismas 23 integriert. Möglich wäre auch eine Integration der Strahlformungsoptik 42 in die Austrittsfläche 28 oder in die Reflexionsflächen 26, 27 des Pentaprismas 23. Die Integration in die Ein- und Austrittsflächen 25, 28 hat gegenüber den Reflexionsflächen 26, 27 den Vorteil, dass der Laserstrahl senkrecht auf die optischen Flächen trifft. Ein Vorteil eines gemeinsamen optischen Elements besteht darin, dass im Strahlengang weniger optische Elemente angeordnet sind. Außerdem ist die Ausrichtung der optischen Flächen fest vorgegeben, so dass eine Justierung entfällt.
  • Die Strahlformungsoptiken 22, 42 können als eindimensionale Phasenelemente ausgebildet sein. Einzelheiten zum Aufbau von eindimensionalen Phasenelementen sind in Zusammenhang mit den 5a–c dargestellt.
  • 4 zeigt einen Multidirektionallaser 50 mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 51 zum Projizieren eines Lichtstrahls bestehend aus der Strahlquelle 2 und einer Strahlformungsoptik 52.
  • Der primäre Laserstrahl 5 trifft nach dem Austritt aus der Austrittsöffnung 4 der Strahlquelle 2 auf die Kollimationsoptik 8, die den primären Laserstrahl 5 kollimiert und den parallelen Laserstrahl 9 erzeugt. Der parallele Laserstrahl 9 trifft auf ein Rechtwinkelprisma 53, das als strahlteilende und strahlumlenkende Optik ausgebildet ist. Das Rechtwinkelprisma 53 weist zwei Reflexionsflächen 54, 55 auf, die unter einem Winkel von 90° zueinander angeordnet sind. Der parallele Laserstrahl 9 wird am Rechtwinkelprisma 53 in einen ersten Teilstrahl 56 und einen zweiten Teilstrahl 57 geteilt. Der erste Teilstrahl 56 trifft auf die erste Reflexionsfläche 54 und wird von dieser um 90° umgelenkt, der zweite Teilstrahl 57 trifft auf die zweite Reflexionsfläche 55 und wird von dieser um 90° umgelenkt. Die optische Achse 6 des primären Laserstrahls 5 ist senkrecht zur optischen Achse 58 des ersten Teilstrahls 56 und senkrecht zur optischen Achse 59 des zweiten Teilstrahls 57 ausgerichtet.
  • Im Strahlengang des ersten Teilstrahls 56 ist ausgangsseitig des Rechtwinkelprismas 53 ein erstes Phasenelement 60 und im Strahlengang des zweiten Teilstrahls 57 ausgangsseitig des Rechtwinkelprismas 53 ein zweites Phasenelement 61 angeordnet. Das erste und zweite Phasenelement 60, 61 bilden zusammen die Strahlformungsoptik 52 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 51. Der erste Teilstrahl 56 trifft auf das erste Phasenelement 60 und der zweite Teilstrahl 57 auf das zweite Phasenelement 61. Das erste Phasenelement 60 erzeugt einen ersten sekundären Teilstrahl 62 mit einem zentralen Minimum im Bereich der optischen Achse 58 und das zweite Phasenelement 61 einen zweiten sekundären Teilstrahl 63 mit einem zentralen Minimum im Bereich der optischen Achse 59.
  • Die Form der Leistungsdichteverteilung des ersten und zweiten sekundären Teilstrahls 62, 63 senkrecht zur Ausbreitungsrichtung hängt von der Geometrie der Phasenelemente 60, 61 ab. Die Phasenelemente 60, 61 können als eindimensionale Phasenelemente oder als zweidimensionale Phasenelemente ausgebildet sein. Einzelheiten zum Aufbau von ein- und zweidimensionalen Phasenelementen sind in den 5a–c für eindimensionale Phasenelemente und 6a–c für zweidimensionale Phasenelemente dargestellt.
  • 5a–c zeigen ein eindimensionales Phasenelement 80 in einer Draufsicht (5a) und einem Querschnitt (5b) sowie die Leistungsdichteverteilung des resultierenden sekundären Laserstrahls 81 senkrecht zur Ausbreitungsrichtung 82 (5c). Das Phasenelement 80 ist als eindimensionales Phasenelement mit einer Stufenstruktur in der optischen Oberfläche ausgebildet und wird im Weiteren als Phasengitter bezeichnet.
  • Das Phasengitter 80 weist fünf lineare Gitterlinien 83a–e, die parallel zueinander in einem Abstand 84a–d angeordnet sind, auf. Die Parameter des Phasengitters 80, vor allem die Anzahl der Gitterlinien 83a–e, die Form und Abmessungen der Gitterlinien 83a–e sowie der Abstand 84a–d zwischen benachbarten Gitterlinien, werden so ausgewählt bzw. schrittweise optimiert, dass die Leistungsdichteverteilung des sekundären Laserstrahls 81 senkrecht zur Ausbreitungsrichtung 82 ein zentrales Minimum 85 aufweist, das von zwei annähernd kreisförmigen Maxima 86, 87 umgeben ist. Die Gitterlinien 83a–e haben eine rechteckige Form, die sich als bevorzugte Ausführung herausgestellt hat, um sekundäre Laserstrahlen mit möglichst steilen Flanken zu formen. Je steiler die Flanken verlaufen, umso größer ist der Kontrast zwischen dem zentralen Minimum 85 und den angrenzenden lokalen Maxima 86, 87.
  • 6a–c zeigen ein zweidimensionales Phasenelement 90 in einer Draufsicht (6a) und einem Querschnitt (6b) sowie die Leistungsdichteverteilung des resultierenden sekundären Laserstrahls 91 senkrecht zur Ausbreitungsrichtung 92 (6c).
  • Das Phasenelement 90 weist drei kreisförmige Phasenstreifen 93a–c auf, die konzentrisch um die optische Achse 92 angeordnet sind. Die Anzahl der Phasenstreifen 93a–c, die Form und Abmessungen jedes einzelnen Phasenstreifen 93a–c sowie der Abstand 94a, b zwischen den benachbarten Phasenstreifen des Phasenelements 90 sind so ausgewählt, dass die Leistungsdichteverteilung des sekundären Laserstrahls 91 senkrecht zur Ausbreitungsrichtung 92 ein zentrales Minimum 95 aufweist, das von einem ringförmigen Maximum 96 umgeben ist. Der in 6c dargestellte sekundäre Laserstrahl 91 ist als rotationssymmetri scher Laserstrahl mit dem zentralen Minimum 95 im Bereich der optischen Achse 92 und mehreren annähernd konzentrischen Beugungsringen ausgebildet.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - EP 0689080 [0007]
    • - DE 3833153 A1 [0008, 0008]

Claims (11)

  1. Vorrichtung (1; 21; 41; 51) zum Projizieren eines Lichtstrahls bestehend aus einer Strahlquelle (2) zum Erzeugen eines primären Lichtstrahls (5) und einer Strahlformungsoptik (3; 22; 42; 60, 61; 80; 90) zur Strahlformung der Leistungsdichteverteilung des primären Lichtstrahls (5) in einen sekundären Lichtstrahl (10; 29; 47; 62, 63; 81; 91), dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlformungsoptik (3; 22; 42; 60, 61; 80; 90) derart ausgebildet ist, dass die Leistungsdichteverteilung des sekundären Lichtstrahls (10; 29; 47; 62, 63; 81; 91) senkrecht zur Ausbreitungsrichtung (6; 58, 59; 82; 92) ein zentrales Minimum (13; 85; 95) aufweist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlformungsoptik (3; 22; 42; 60, 61; 80; 90) derart ausgebildet ist, dass die Breite des zentralen Minimums (13; 85; 95) kleiner als die Breite des entsprechenden Airy-Scheibchens ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlformungsoptik als Phasenelement (3; 22; 42; 60, 61; 80; 90), insbesondere als eindimensionales (3; 22; 42; 60, 61; 80) oder zweidimensionales Phasenelement (60, 61; 90) ausgebildet ist.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlformungsoptik (3; 22; 42; 60, 61; 80) derart ausgebildet ist, dass die Leistungsdichteverteilung des sekundären Lichtstrahls (10; 29; 47; 62, 63; 81) senkrecht zur Ausbreitungsrichtung (6; 58, 59; 82) zwei zumindest lokale Maxima (11, 12; 86, 87) aufweist, die das zentrale Minimum (13; 85) begrenzen.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenelement (80) als eindimensionales Phasenelement mit linearen, parallel angeordneten Phasenstreifen (83a83e) ausgebildet ist.
  6. Vorrichtung nach der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlformungsoptik (60, 61; 90) derart ausgebildet ist, dass die Leistungsdichteverteilung des sekundären Lichtstrahls (62, 63; 91) senkrecht zur Ausbreitungsrichtung (58, 59; 92) ein ringförmiges Maximum (96), das das zentrale Minimum (95) begrenzt, aufweist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenelement (90) als zweidimensionales Phasenelement mit konzentrischen Phasenstreifen (93a93c) aus gebildet ist, wobei die Phasenstreifen (93a93c) insbesondere kreisförmig ausgebildet sind.
  8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang des primären (5) oder sekundären Lichtstrahls (29; 47; 62, 63) eine weitere Optik (23; 53) vorgesehen ist, wobei die Strahlformungsoptik (22; 42; 60, 61) auf der der Strahlquelle (2) zugewandten Eintrittsseite der Optik (23; 53) oder auf der der Strahlquelle (2) abgewandten Austrittsseite der Optik (23; 53) angeordnet ist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlformungsoptik (22; 60, 61) und die Optik (23; 53) als getrennte optische Elemente ausgebildet sind.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlformungsoptik (42) und die Optik (23) als ein gemeinsames optisches Element ausgebildet sind.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlformungsoptik (42) an der Eintrittsfläche (25) oder der Austrittsfläche (28) eines Pentaprismas (23) ausgebildet ist.
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