DE102013007541B4

DE102013007541B4 - Zylinderlinsenarray und Optikbaugruppe mit Zylinderlinsenarray

Info

Publication number: DE102013007541B4
Application number: DE201310007541
Authority: DE
Inventors: Alexander Franke
Original assignee: Jenoptik Laser GmbH
Current assignee: Jenoptik Optical Systems GmbH
Priority date: 2013-05-03
Filing date: 2013-05-03
Publication date: 2015-04-02
Anticipated expiration: 2033-05-04
Also published as: DE102013007541A1

Abstract

Zylinderlinsenarray (1), umfassend eine erste Oberfläche (5) mit mehreren in einer Reihe in einer x-Richtung versetzt nebeneinander angeordneten sphärischen oder asphärischen ersten Zylinderlinsenflächen (9), die jeweils eine erste Scheitellinie (12) aufweisen, wobei die ersten Scheitellinien (12) in einer ersten Bezugsebene xy (2) mit einer Flächennormalen z liegen, parallel zueinander sind und einen Winkel mit einem Betrag von 45° zur Richtung x der Reihenanordnung einschließen und benachbarte erste Scheitellinien in Richtung x der Reihenanordnung jeweils einen Versatz p haben, eine zweite Oberfläche (6) mit mehreren in einer Reihe in der x-Richtung versetzt nebeneinander angeordneten sphärischen oder asphärischen zweiten Zylinderlinsenflächen (11), die jeweils eine zweite Scheitellinie (13) aufweisen, welche parallel zu den ersten Scheitellinien (12) ist, wobei jeder der ersten Zylinderlinsenflächen (9) eine der zweiten Zylinderlinsenflächen (11) zugeordnet ist, so dass die einander zugeordneten Zylinderlinsenflächen jeweils ein Zylinderlinsenflächenpaar bilden, wobei jeweils die zweite Scheitellinie (13) gegenüber der ersten Scheitellinie (12) eines Zylinderlinsenflächenpaares in einem Abstand d parallel in Richtung z versetzt angeordnet ist, so dass die erste Scheitellinie mit der zweiten Scheitellinie jeweils ein Scheitellinienpaar bilden, und jedes Scheitellinienpaar einen unwirksamen Schnitt (14) aufspannt, wobei sich die ersten Zylinderlinsenflächen (9) in wenigstens einem Bereich (16) bis über Mittelebenen (15), die mittig zwischen den unwirksamen Schnitten (14) benachbarter Zylinderlinsenflächenpaare befindlich definiert sind, hinaus erstrecken, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen den ersten Zylinderlinsenflächen (9) jeweils Zwischenflächen (10) befinden, die nicht zur optischen Abbildung beitragen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Zylinderlinsenarray sowie dessen Verwendung für eine Optikbaugruppe insbesondere zur Symmetrisierung der Strahlung eines Diodenlaserbarrens.
Zur Herstellung von Hochleistungslaserdiodenanordnungen beispielsweise zum Pumpen von Faserlasern, Scheibenlasern und Festkörperlasern, zur Materialbearbeitung, für medizinische Anwendungen und für Beleuchtungszwecke werden Diodenlaserbarren verwendet, welche mehrere in einer Reihe angeordnete Lichtaustrittsaperturen aufweisen. Diese Emitter emittieren jeweils ein divergentes Strahlenbündel, wobei die Zentralstrahlen der Strahlenbündel in einer gemeinsamen Bezugsebene liegen und eine gemeinsame erste Ausbreitungsrichtung haben. Die geometrische Breite der abstrahlenden Fläche eines Emitters in der Bezugsebene beträgt üblicherweise zwischen 50 μm und 250 μm, während deren Höhe senkrecht zur Bezugsebene in der Größenordnung von einem bis zu wenigen μm liegt. Damit geht auch eine Asymmetrie der Winkelverteilung der Strahlenbündel, d. h. der Abstrahlcharakteristik im Fernfeld, einher. Wegen dieser Unsymmetrie ist eine Symmetrisierung der Strahlung mit optischen Mitteln erforderlich. Eine Drehung der Strahlquerschnitte um einen rechten Winkel um die optische Achse ist dazu geeignet. Häufig werden Zylinderlinsenarrays verwendet, die allerdings bisher nur für Diodenlaserbarren mit geringem Füllfaktor geeignet sind. Unter dem Füllfaktor ist das Verhältnis der Emitterbreite zum Mittenabstand benachbarter Emitter zu verstehen.
Zylinderlinsenarrays zur Symmetrisierung von Strahlenbündeln von Diodenlaserbarren sind aus US 5,513,201 A bekannt. Diese sind beispielsweise als konfokale Zylinderlinsenteleskope ausgebildet. Dazu werden Zylinderlinsenflächen eingesetzt, deren Scheitel um einen Winkel von 45° gegenüber der Richtung der Reihenanordnung um die optische Achse geneigt sind. Die Grenzen der Linsenelemente verlaufen parallel zu den Scheitellinien. Damit ergeben sich parallelogrammförmige Querschnitte der Eintrittsaperturen und Austrittsaperturen der einzelnen optischen Kanäle. Das bedeutet, dass die nutzbare Eintrittsapertur der Zylinderlinsenflächen nicht an den Querschnitt der einfallenden Strahlenbündel angepasst ist. Die Grenzen der Linsenflächen benachbarter Zylinderlinsen liegen jeweils in der Mittelebene zwischen den unwirksamen Schnitten der der Zylinderlinsenelemente. Anders ausgedrückt heißt das, dass für einfallende Strahlenbündel mit näherungsweise rechteckigem Querschnitt die Eintrittsapertur dahingehend beschränkt ist, dass der Umfang u des nutzbaren Rechteckbereichs kleiner ist als der doppelte Mittenabstand 2p der Emitterbereiche des Lasers. Ist der einfallende Strahlquerschnitt größer, können Teile der Strahlung auf eine benachbarte Zylinderlinsenfläche fallen. Das betrifft den Teil der Strahlenbündel, der jenseits der Mittelebenen auf das Zylinderlinsenarray auftrifft. Dadurch ginge ein Teil der nutzbaren Strahlung verloren. Um solche Verluste zu minimieren, wählt man den Querschnitt der einfallenden Strahlenbündel so aus, dass er jeweils in einem Rechteck mit höchstens dem Umfang 2p liegt, er sich also nicht über die Mittelebenen hinaus erstreckt. Dadurch entstehen jedoch im Strahlprofil unmittelbar hinter dem Zylinderlinsenteleskoparray Zwischenräume zwischen den Austrittsstrahlquerschnitten, in denen keine Laserleistung anzutreffen ist. Diese Zwischenräume bedeuten eine nachteilige schlechte Strahlqualität. Aus diesen Gründen ist die Verwendung von strahldrehenden Elementen nach dem Stand der Technik auf Diodenlaserbarren mit niedrigem Füllfaktor beschränkt. Typische Füllfaktoren liegen bei 5% bis 20%. Außerdem wird die Strahlqualität verschlechtert, da das Strahlungsfeld nach dem strahldrehenden Element unausgeleuchtete Zwischenräume enthält.
Ein weiteres Zylinderlinsenarray ist aus US 2006/0159147 A1 bekannt, bei dem die Grenzen der Linsenflächen nicht parallel zu den Scheitellinien verlaufen. Bei diesem Zylinderlinsenarray grenzen die einzelnen Linsenelemente unmittelbar aneinander. Nachteilig ist, dass die Herstellung solcher Linsenarrays aufwendig ist.
Aus DE10324402A1 ist eine Vorrichtung bekannt, bei der zwei Gruppierungen eindimensionaler optischer Elemente derart verdreht zueinander angeordnet sind, daß sich in einer zweidimensionale Moireandmatrix gruppierte Linseneinheiten ergeben. Zur Symmetrisierung von Laserstrahlung ist eine solche Anordnung nicht einsetzbar.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Zylinderlinsenarray mit schräggestellten Scheitellinien, insbesondere ein Array konfokaler Zylinderlinsenteleskope, bereitzustellen, welches zur Symmetrisierung der Strahlung von Diodenlaserbarren eingesetzt werden kann. Das Zylinderlinsenarray soll eine verringerte Beschränkung der nutzbaren Breite der Strahlenbündel gegenüber bekannten Zylinderlinsenarrays aufweisen, wobei gleichfalls die Breite störender Zwischenräume zwischen den einzelnen Strahlenbündeln der ausgangsseitigen Strahlung minimiert ist. Außerdem soll ein Zylinderlinsenarray zur Strahlsymmetrisierung von Diodenlaserbarren mit hohem Füllfaktor bereitgestellt werden. Aufgabe der Erfindung ist es weiterhin, eine Anordnung und ein Verfahren zur Strahlformung von Diodenlaserbarren mit Symmetrisierung des Strahlungsfeldes durch Drehung der einzelnen Strahlenbündel anzugeben, bei dem die Zwischenräume zwischen den Strahlquerschnitten der Strahlenbündel minimiert sind.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Zylinderlinsenarray nach Anspruch 1. Dieses Zylinderlinsenarray umfasst eine erste Oberfläche mit mehreren in einer Reihe in einer x-Richtung versetzt nebeneinander angeordneten sphärischen oder asphärischen ersten Zylinderlinsenflächen, die jeweils eine erste Scheitellinie aufweisen.
Dabei sind die ersten Scheitellinien parallel zueinander und liegen in einer ersten Bezugsebene xy, deren Normale als z-Richtung definiert sei. Die ersten Scheitellinien schließen einen Winkel mit einem Betrag von annähernd 45° zur Richtung x der Reihenanordnung ein. In Richtung x der Reihenanordnung hat der Versatz benachbarter erster Scheitellinien jeweils einen Wert p. Zwischen den ersten Zylinderlinsenflächen befinden sich jeweils Zwischenflächen, die nicht zur optischen Abbildung beitragen.
Außerdem umfasst das Zylinderlinsenarray eine zweite Oberfläche mit mehreren in einer Reihe in der x-Richtung versetzt nebeneinander angeordneten sphärischen oder asphärischen zweiten Zylinderlinsenflächen, die jeweils eine zweite Scheitellinie aufweisen. Die zweiten Scheitellinien sind parallel zu den ersten Scheitellinien.
Dabei ist jeder der ersten Zylinderlinsenflächen eine der zweiten Zylinderlinsenflächen zugeordnet, so dass die einander zugeordneten Zylinderlinsenflächen jeweils ein Zylinderlinsenflächenpaar bilden. Dabei ist jeweils die zweite Scheitellinie gegenüber der ersten Scheitellinie eines Zylinderlinsenflächenpaares in einem Abstand d parallel in Richtung z versetzt angeordnet. Dadurch bildet die erste Scheitellinie mit der zweiten Scheitellinie jeweils ein Scheitellinienpaar. Jedes Scheitellinienpaar spannt nun eine Ebene auf, die beide Scheitellinien des Scheitellinienpaares enthält. Eine solche Ebene wird als unwirksamer Schnitt bezeichnet.
Das erfindungsgemäße Zylinderlinsenarray zeichnet sich dadurch aus, dass sich die Zylinderlinsenflächen der ersten Oberfläche bereichsweise bis über jeweils eine Mittelebene erstrecken. Diese Mittelebenen werden dadurch definiert, dass sie sich in der Mitte zwischen den oben definierten unwirksamen Schnitten benachbarter Zylinderlinsenflächenpaare befinden.
Des Weiteren kann zusätzlich die Austrittsapertur an den Strahlquerschnitt der ausfallenden Strahlenbündel angepasst sein.
Zum besseren Verständnis wird ein rechtwinkliges Einheitskoordinatensystem xyz eingeführt, dessen Ausrichtung ohne Beschränkung der Allgemeinheit im Folgenden definiert wird. Das erfindungsgemäße Zylinderlinsenarray umfasst eine erste Oberfläche mit mehreren in einer Richtung x versetzt angeordneter ersten Zylinderlinsenflächen, wobei die Zylinderachsen der Zylinderlinsenflächen zueinender parallel sind. Die ersten Zylinderlinsenflächen können identisch ausgebildet sein. Der Versatz zwischen zwei benachbarten ersten Zylinderlinsenflächen in x-Richtung kann gleich sein und einen Wert p haben, ebenso natürlich auch der Versatz der Zylinderachsen. Das Koordinatensystem xyz kann als lokales Koordinatensystem einer Zylinderlinsenfläche aufgefasst werden. Die einzelnen Koordinatensysteme der Zylinderlinsenflächen können gegeneinander in x-Richtung jeweils um einen Betrag p verschoben sein. Da diese Transformation keine Drehung enthält, sind die Richtungen der lokalen Koordinatensysteme gleich. Unter einer Zylinderlinsenfläche wird eine nicht rotationssymmetrische Linsenfläche verstanden, die wenigstens einen (zweiten) wirksamen Schnitt besitzt, in dem sie einfallende Lichtstrahlen wie eine zentrierte Linsenfläche im Meridionalschnitt bricht, wobei die Linsenfläche außerdem einen ersten Schnitt besitzt. Der zweite (wirksame) Schnitt kann senkrecht zur Zylinderachse liegen. Der erste Schnitt kann ein Schnitt sein, in welchem die Linsenfläche wie eine plane Linsenfläche wirkt. Er entspricht einem oben definierten unwirksamen Schnitt. Die Bezeichnung als unwirksamer Schnitt bedeutet nicht, dass keine Brechung auftritt, sondern dass die Brechung wie an einer planen (d. h. ebenen) optischen Grenzfläche, beispielsweise einer Grenzfläche zwischen Luft und einer ebenen Glasplatte, erfolgt. Der zweite Schnitt kann senkrecht zum ersten Schnitt sein. Beide Schnitte können Meridionalschnitte sein, d. h. jeweils die optische Achse enthalten. Die optische Achse sei als z-Richtung definiert, die positive z-Richtung sei die Richtung der einfallenden Zentralstrahlen.
Das Zylinderlinsenarray umfasst außerdem wie oben beschrieben, eine zweite Oberfläche mit mehreren in einer Reihe in der Richtung x versetzt angeordneten zweiten Zylinderlinsenflächen. Die zweiten Zylinderlinsenflächen können identisch ausgebildet sein. Die oben beschriebene Zuordnung jeweils einer zweiten zu einer ersten Zylinderlinsenfläche hat zur Folge, dass der Versatz zwischen zwei benachbarten zweiten Zylinderlinsenflächen in x-Richtung gleich sein und einen Wert p haben kann, ebenso natürlich auch der Versatz der Zylinderachsen.
In einer senkrechten z Projektion auf die erste Bezugsebene xy, d. h. in der Vorderansicht können so die erste Scheitellinien und die zweite Scheitellinie eines Scheitellinienpaares auf jeweils einer gemeinsamen Geraden liegen. Die zweite Scheitellinie kann allerdings eine andere Länge aufweisen, als die zugeordnete erste Scheitellinie, da die Scheitellinien jeweils an den Grenzen der Zylinderlinsenflächen enden.
Die optischen Achsen der Zylinderlinsenpaare, die in z-Richtung liegen, können also jeweils die Scheitellinien beider Zylinderlinsenflächen des Zylinderlinsenpaares schneiden. Damit spannt jedes der Scheitellinienpaare eine Ebene auf, die den unwirksamen Schnitt des Zylinderlinsenflächenpaares darstellt. Die unwirksamen Schnitte können parallel sein. Der unwirksame Schnitt eines Zylinderlinsenflächenpaares entspricht den unwirksamen Schnitten der ersten und zweiten Zylinderlinsenfläche, die dieses Zylinderlinsenflächenpaar bilden. Die oben definierten Mittelebenen sind gedachte Ebenen, die sich in der Mitte zwischen jeweils zwei benachbarten unwirksamen Schnitten befinden. Eine Mittelebene kann dann zu diesen beiden unwirksamen Schnitten jeweils den gleichen Abstand haben.
Die oben definierte erste Bezugsebene kann die Scheitellinien der ersten Zylinderlinsenflächen der ersten Oberfläche enthalten. Die z-Koordinate kann so gewählt werden, dass die erste Bezugsebene bei z = 0 liegt. Der oben definierte Abstand d der ersten zur zweiten Scheitellinie kann gleichzeitig als Dicke des Zylinderlinsenarrays betrachtet werden.
Für jedes Zylinderlinsenflächenpaar kann der unwirksame Schnitt auch dadurch definiert werden, dass er die Ebene darstellt, die beide Zylinderachsen des Paares zugeordneter Zylinderlinsenflächen enthält. Diese ebenfalls gängige Definition kann äquivalent zu der oben benutzten Definition sein. Falls die Zylinderachsen, wie beispielsweise bei einer konfokalen Zylinderstablinse, im Spezialfall zusammenfallen, so dass dadurch noch keine Ebene festgelegt wäre. Dann kann der unwirksame Schnitt zusätzlich dadurch festgelegt werden, dass er die optische Achse des Zylinderlinsenflächenpaares enthält.
Die ersten und zweiten Zylinderlinsenflächen können in bekannter Weise als sphärische oder als asphärische Zylinderlinsenflächen ausgebildet sein. Sie können translationssymmetrisch bezüglich der Zylinderachse sein. Genauer gesagt bedeutet das, dass die Schnittlinien der Zylinderlinsenoberfläche mit jeder zum wirksamen Schnitt parallelen Schnittebene auf einer gemeinsamen Kurve liegen. Diese Kurve kann stetig sein und sie kann darüber hinaus stetige Ableitungen besitzen. Sie kann durch eine Gleichung beschrieben werden. Beispielsweise kann entsprechend DIN ISO 10110 eine asphärische Linsenform durch die folgende Gleichung beschrieben werden:
Dabei stellt z die z-Koordinate der ersten oder zweiten Zylinderlinsenfläche in Abhängigkeit von s dar, wobei s den Abstand des Punktes der Zylinderlinsenfläche vom unwirksamen Schnitt bezeichnet. R ist der Linsenradius. A sind die asphärischen Parameter, während k die konische Konstante ist. Diese Größen A und k geben Abweichungen von einer geometrisch exakten Zylinderform an. Die z-Koordinate ist hier relativ zur ersten Bezugsebene angegeben. Da das Koordinatensystem xyz als lokales Koordinatensystem einer ersten oder einer zweiten Zylinderlinsenfläche zu betrachten ist, gilt diese Gleichung in gleicher Weise für jede der Zylinderlinsenflächen.
Die Zylinderlinsenflächenpaare können so angeordnet sein, dass die unwirksamen Schnitte gegenüber der Richtung x der Reihenanordnung um 45° geneigt sind. Darunter ist zu verstehen, dass der ideale Winkel 45° beträgt, in der Praxis jedoch auch toleranzbedingte Abweichungen vorhanden sein können, die im Sinne der Erfindung trotzdem die Funktion des Zylinderlinsenarrays kaum beeinträchtigen. In diesem Sinne sind auch die Scheitellinien der Zylinderlinsenflächen um 45° um die Achse z zur Richtung x der Reihenanordnung geneigt. Die Richtung x ist auf die optischen Achsen der einzelnen Linsenelemente bezogen. Es können eine Grundfläche und/oder eine Deckfläche des Zylinderlinsenarrays vorhanden sein, die im Rahmen bestimmter Toleranzen parallel zur x-Richtung und zur z-Richtung sein können. Somit kann die oben eingeführte Größe s angegeben werden durch s = x – y oder s = x + y, je nachdem, in welche Richtung diese Neigung vorhanden ist. Die Koordinaten x und y können dabei als relative Koordinaten zur optischen Achse der jeweiligen Zylinderlinsenfläche anzunehmen. Die optische Achse eines Zylinderlinsenflächenpaares kann also bei x = y = 0 definiert werden. Verläuft die Neigung der Scheitellinie im Uhrzeigersinn, d. h. liegt die Scheitellinie in den Quadranten x > 0; y > 0 und x < 0; y < 0 ist anzunehmen s = x – y. Gleichung 2
Verläuft die Neigung der Scheitellinie entgegen dem Uhrzeigersinn, d. h. liegt die Scheitellinie in den Quadranten x > 0; y < 0 und x < 0; y > 0 ist s = x + y anzunehmen. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit wird im folgenden s = x – y angenommen. Der andere Fall stellt eine Spiegelung des Systems an der yz-Ebene dar, der durch eine Transformation y' = –y dargestellt werden kann und ebenfalls im Rahmen der Erfindung liegt. Die optische Achse einer Zylinderlinsenfläche kann also im lokalen Koordinatensystem bei x = y = 0 liegen und in z-Richtung verlaufen, wobei der Scheitel der Zylinderlinsenfläche bei z = 0 liegen kann. Die Scheitellinie liegt auf einer Geraden, die der Gleichung s₀ = 0 Gleichung 3 genügt. Der Radius R kann als positiver Radius oder negativer Radius angegeben werden. Nach DIN ISO 10110 ist das von der Darstellung abhängig. Für eine konvexe Strahleintrittsfläche kann beispielsweise entsprechend obiger Definition z in Strahlrichtung von links nach rechts dargestellt werden. Dann ist R für eine konvexe erste Zylinderlinsenfläche in Gleichung 1 als positiver Radius anzugeben und für eine konvexe zweite Zylinderlinsenfläche als negativer Radius.
Die Schnittlinie des unwirksamen Schnitts mit der der ersten oder der zweiten Zylinderlinsenfläche kann genau die Scheitellinie dieser Zylinderlinsenfläche sein, die auf einer Geraden liegen kann. Die Scheitellinie einer Zylinderlinsenfläche wäre beispielsweise nach obiger Gleichung bei s = 0 zu finden. Sie weist in diesem Fall keine Krümmung auf, so dass ihr theoretisch ein unendlicher Krümmungsradius zugeordnet werden kann. Im wirksamen Schnitt hingegen ist der Betrag des Krümmungsradius am kleinsten. Entspricht die Schnittlinie der Oberfläche im wirksamen Schnitt einem Kreisausschnitt, spricht man von einer sphärischen Zylinderlinsenfläche. Eine sphärische Zylinderlinsenfläche kann vorliegen, wenn die konische Konstante k und die asphärischen Parameter A jeweils Null sind. Anderenfalls spricht man von einer asphärischen Zylinderlinsenfläche. Die Zylinderlinsenfläche ist in ihrer Ausdehnung begrenzt. Als außerhalb der Zylinderlinsenfläche liegend können solche Bereiche angenommen werden, in denen die Schnittlinie der Oberfläche mit einer zum wirksamen Schnitt parallelen Ebene von der Krümmungsfunktion abweicht. Anders ausgedrückt bedeutet das, dass jeweils solche Bereiche der Oberfläche als zur jeweiligen Zylinderlinsenfläche gehörig bezeichnet werden, die die Gleichung 1 für die jeweilige Zylinderlinsenfläche erfüllen. Andere Bereiche der Oberfläche, die von der Gleichung 1 abweichen, liegen dann außerhalb der jeweiligen Zylinderlinsenfläche. In diesen außerhalb der Zylinderlinsenfläche liegenden Bereichen werden einfallende Strahlen nicht mehr wie im Meridionalschnitt einer Linse gebrochen. Strahlung die in einem solchen Bereich auftrifft, kann also dem Nutzstrahl entzogen werden. Die Grenze zwischen zur Zylinderlinsenfläche gehörenden und außerhalb liegenden Bereichen bilden den Rand der Zylinderlinsenfläche. Der Rand einer Zylinderlinsenfläche kann abschnittsweise mit dem Rand einer benachbarten Zylinderlinsenfläche zusammenfallen, wenn beide Zylinderlinsenflächen aneinander angrenzen. Es kann sich aber auch eine Zwischenfläche zwischen den Rändern benachbarter Zylinderlinsenfläche befinden, die nicht zur optischen Funktion des Zylinderlinsenarrays beiträgt. Der Rand einer Zylinderlinsenfläche kann abschnittsweise auch durch eine Grundfläche und/oder eine Deckfläche des Zylinderlinsenarrays vorgegeben sein. Für ein Zylinderlinsenarray nach dem Stand der Technik kann eine erste oder eine zweite Zylinderlinsenfläche beispielsweise angegeben sein durch folgende Bedingungen, die gleichzeitig erfüllt sind y > y_G; y < y_D; x – y > –p/2; x – y < p/2 Gleichung 4
Dabei sind y_G die y-Koordinate der Grundfläche, y_D die y-Koordinate der Deckfläche des Zylinderlinsenarrays so dass die Höhe des Zylinderlinsenarrays mit h = y_D – y_G angegeben werden kann. Die Höhe h kann gleich dem Mittenabstand p sein. Vorteilhaft kann sie größer sein als der Mittenabstand p, so dass gilt h > p. Beispielsweise kann p 0.5 mm oder 1 betragen, während h wenigstens um 10% größer als p ist. Falls die optische Achse in der Mitte zwischen Grund- und Deckfläche liegt, kann gelten y_G = –y_D. Die dritte und vierte Bedingung nach Gleichung 4 gibt an, dass sich die Zylinderlinsenfläche bis genau an die Mittelebenen erstreckt, die in der Mitte zwischen den unwirksamen Schnitten der benachbarter Zylinderlinsenpaare liegen, wie das nach dem Stand der Technik bekannt ist. Die Abstände der Scheitellinien benachbarter Zylinderlinsenflächen in Richtung der Reihenanordnung x können jeweils einen Versatz p zueinender haben. Der Abstand der Scheitellinien in einer Richtung senkrecht zu den Scheitellinien kann in diesem Fall jeweils p/√2 betragen, da ja die Scheitellinien einen Winkel von 45° zur x-Richtung haben. Das entspricht dem Abstand benachbarter unwirksamer Schnitte, ebenso dem Abstand benachbarter Mittelebenen. Benachbarte Zylinderlinsenflächen bekannter Zylinderlinsenarrays erstrecken sich jeweils bis zur Mitte bei s = ±p/2. Zwischen benachbarten Zylinderlinsenflächen nach dem Stand der Technik ist keine Stufe in z-Richtung vorhanden, sondern benachbarte Flächen grenzen stetig aneinander und haben eine gemeinsame Kante. Die Gleichungen der Mittelebenen sind x – y = –p/2 Gleichung 5 und x – y = p/2 Gleichung 6
Erfindungsgemäß hingegen erstrecken sich die ersten Zylinderlinsenflächen der ersten Oberfläche in wenigstens einem bestimmten Bereich, d. h. in wenigstens einer Teilfläche, bis über diese Mittelebenen hinaus. Das bedeutet, dass für die jeweilige erste Zylinderlinsenfläche Werte x, y mit x – y < –p/2 und/oder x – y > p/2 existieren, für die Gleichung 1 erfüllt ist. Vorzugsweise kann diese Erstreckung in zwei Bereichen je erster Zylinderlinsenfläche vorhanden sein. Insbesondere kann in einer vorteilhaften Ausführung die Projektion der Zylinderlinsenfläche auf die erste Bezugsebene einen rechteckigen Rand haben In diesem Falle kann Gleichung 1 in genau allen Bereichen x, y gelten, die gleichzeitig folgenden Bedingungen genügen: y > y_G; y < y_D; x > –b/2; x < b/2. Gleichung 7
Dabei ist b die Breite des rechteckigen Randes, d. h. die Breite der Apertur der Zylinderlinsenfläche. Die erfindungsgemäße Erstreckung einer Zylinderlinsenfläche über die Mittelebenen hinaus kann also beispielsweise eine Teilfläche umfassen, die Gleichung 1 erfüllt, an Stellen x, y für welche Gleichung 7 gelten und mindestens eine Bedingung nach Gleichung 4 nicht gilt. Beispielsweise kann die erfindungsgemäße Erstreckung vorhanden sein, wenn Gleichung 1 an einer Stelle x – y < –p/2 und/oder x – y > p/2 gilt. Das kann der Fall sein, wenn eine entsprechende Breite b der Zylinderlinsenfläche vorhanden ist, für die gilt b > –2·y_D + p und/oder b > 2·y_G + p bzw. für den speziellen Fall, dass die optische Achse in der Mitte zwischen Grund- und Deckfläche liegt, b > p – h.
Selbstverständlich muss für alle Zylinderlinsenflächen, welche benachbarte Zylinderlinsenflächen besitzen, b ≤ p gelten, da die Breite der Zylinderlinsenflächen nicht größer als der Mittenabstand p benachbarter Zylinderlinsenflächen sein kann. Falls b = p gilt, können sich Stufen in z Richtung zwischen benachbarten Zylinderlinsenflächen befinden. Es kann aber auch gelten b < p. In diesem Falle grenzen benachbarte Zylinderlinsenflächen nicht mehr aneinander an, sondern es befinden sich Zwischenflächen zwischen benachbarten Zylinderlinsenflächen, die Gleichung 1 nicht erfüllen. Diese Zwischenflächen können in der Projektion auf die erste Bezugsebene, d. h. in der Vorderansicht, rechteckig ausgebildet sein. Es können sich Stufen in z Richtung zwischen einer Zylinderlinsenfläche und der benachbarten Zwischenfläche befinden. Das muss aber nicht der Fall sein, die Zwischenfläche kann sich auch stetig an die Zylinderlinsenfläche anschließen. Vorteilhaft kann die erste Oberfläche des Zylinderlinsenarrays die Lichteintrittsfläche und die zweite Oberfläche die Lichtaustrittsfläche des Zylinderlinsenarrays sein.
Zwischen den Zylinderlinsenflächen der ersten Oberfläche können sich jeweils Zwischenflächen befinden, die nicht zur optischen Abbildung beitragen.
Weiterhin kann eine zweite Bezugsebene dadurch definiert werden, dass sie die Punkte der ersten Zylinderlinsenflächen der ersten Oberfläche, die den größten Abstand zur Scheitellinie haben, enthält. Das können beispielsweise nach Gleichung 1 die Punkte mit dem größten Betrag |z| sein, die zu den Linsenflächen der ersten Oberfläche gehören. Bildlich gesprochen ist die zweite Bezugsebene die Ebene, die die Zylinderlinsenflächen am weitesten von der ersten Bezugsebene entfernt schneidet. Die zweite Bezugsebene kann parallel zur ersten Bezugsebene gewählt werden. Der Abstand der zweiten von der ersten Bezugsebene gibt die mindestens erforderliche Höhe der Struktur der ersten Oberfläche an. Falls die erste Oberfläche beispielsweise durch Prägen hergestellt wird, ist das die mindestens erforderliche Prägetiefe. Die Zwischenflächen können zwischen der ersten Bezugsebene und einer zweiten Bezugsebene liegen. Sie können auch in der ersten oder zweiten Bezugsebene liegen. Das hat den Vorteil, dass die oben genannte Mindesthöhe für die Struktur der ersten Oberfläche ausreichend ist. Die Zwischenflächen können so groß gewählt werden, dass die verbleibenden Eintrittsaperturen der Zylinderlinsenflächen der ersten Oberfläche gerade noch ausreichen, die gesamten Strahlenbündel aufzunehmen. Diese optimale Wahl der Größe der Zwischenflächen gewährleistet, dass die erforderliche Mindeststrukturhöhe, mit der die optische Funktion der ersten Oberfläche bewerkstelligt werden kann, minimal wird. Dadurch lassen sich sie die Zylinderlinsenflächen einfacher herstellen.
Die zweiten Zylinderlinsenflächen der zweiten Oberfläche können in unterschiedlicher Weise ausgebildet sein. Vorteilhaft ist eine solche Ausbildung der zweiten Oberfläche, die keine begrenzende Apertur für die Strahlenbündel darstellt. Die zweiten Zylinderlinsenflächen der zweiten Oberfläche können aneinander angrenzend angeordnet sein. Zum Verständnis der Auswirkung der austrittsseitigen Apertur ist dazu eine Betrachtung der Strahltransformation erforderlich. Einfallende rechteckige Strahlquerschnitte der Strahlenbündel können beispielsweise in parallelogrammförmige austrittsseitige Strahlquerschnitte mit einem Parallelogrammwinkel von beispielsweise 45° transformiert werden. Das kann insbesondere bei Diodenlaserbarren mit niedrigem Füllfaktor, beispielsweise 10%, der Fall sein. Unter dem Füllfaktor ist das Verhältnis der Emitterbreite zum Mittenabstand benachbarter Emitter zu verstehen. Einfallende rechteckige Strahlquerschnitte der Strahlenbündel können andererseits beispielsweise in rechteckförmige austrittsseitige Strahlquerschnitte transformiert werden. Das kann insbesondere bei Diodenlaserbarren mit hohem Füllfaktor, beispielsweise 50%, der Fall sein. Der Vollständigkeit halber sei noch darauf hingewiesen, dass die rechteckförmigen austrittsseitigen Strahlquerschnitte infolge von Abbildungsfehlern der Zylinderlinsenflächen an zwei gegenüberliegenden Ecken abgeschrägt sein können und dass Mischformen des austrittsseitigen Strahlquerschnitts zwischen den beiden genannten Ausprägungen vorkommen können. Somit kann eine parallelogrammförmige Austrittsapertur einer zweiten Zylinderlinsenfläche der zweiten Oberfläche in einem Fall vorteilhaft sein, in anderen Fällen jedoch von Nachteil.
Eine weitere Gleichung 1 kann für eine zweite Zylinderlinsenfläche der zweiten Oberfläche angenommen werden. Der Radius R kann negativ sein. Der Nullpunkt der z-Koordinate des lokalen Koordinatensystems dieser zweiten Zylinderlinsenfläche ist durch eine Verschiebung z' = z + d neu festzulegen. Dabei ist d die Dicke des Zylinderlinsenarrays in z-Richtung von Scheitellinie zu Scheitellinie. Dadurch entsteht für jede Zylinderlinsenfläche ein neues lokales Koordinatensystem xyz.
Die Grenzen zwischen jeweils zwei zweiten Zylinderlinsenflächen können parallel zu den Scheitellinien sein. Diese Grenzen können in der Projektion auf die erste Bezugsebene mittig zwischen den Scheitellinien der zweiten Zylinderlinsenflächen liegen. Anders ausgedrückt bedeutet das, dass sich die Ränder der zweiten Zylinderlinsenflächen bis an die Mittelebenen zwischen den unwirksamen Schnitten benachbarter zweiter Zylinderlinsenflächen erstrecken können. Diese Ränder können dann um 45° gegenüber der Richtung x der Reihenanordnung geneigt sein. Dadurch können sich parallelogrammförmige Austrittsaperturen ergeben. Die zweiten Zylinderlinsenflächen können parallelogrammförmige Ränder (Aperturen) aufweisen. Die Ränder der zweiten Zylinderlinsenflächen können durch eine Gleichung 4 festgelegt sein, wobei alle vier Bedingungen gleichzeitig erfüllt sind. Solche parallelogrammförmige Ränder sind besonders vorteilhaft zur Symmetrisierung von Diodenlaserbarren mit niedrigem Füllfaktor, beispielsweise zwischen 5% und 20% zu verwenden.
Alternativ dazu können sich die zweiten Zylinderlinsenflächen in wenigstens einem Bereich bis über die Mittelebenen zwischen den Schnittebenen des unwirksamen Schnitts benachbarter Zylinderlinsenflächenpaare erstrecken. Vorzugsweise können es zwei Bereiche je Zylinderlinsenfläche sein. Diese Erstreckung ist analog zu der oben erklärten erfindungsgemäßen Erstreckung für die erste Oberfläche zu verstehen. Die zweiten Zylinderlinsenflächen können rechteckförmige Aperturen aufweisen. Die Ränder der zweiten Zylinderlinsenflächen können durch eine Gleichung 7 festgelegt sein, wobei alle vier Bedingungen gleichzeitig erfüllt sind. Die Breite b kann dabei maximal b = p/2 gewählt werden. Die Wahl des Maximalwertes bewirkt, dass die Zylinderlinsenflächen in einer senkrechten z-Projektion aneinander angrenzen. Solche rechteckförmige Aperturen sind besonders vorteilhaft zur Symmetrisierung von Diodenlaserbarren mit hohem Füllfaktor, beispielsweise zwischen 30% und 70% zu verwenden.
Es sei noch angemerkt, dass es sowohl bei beiden der erläuterten Ausprägungen der zweiten Zylinderlinsenflächen vorteilhaft sein kann, Zwischenflächen auf der zweiten Oberfläche zu vermeiden bzw. zu minimieren. Dadurch kann gewährleistet werden, dass im austretenden Strahlungsfeld keine bzw. minimale Zwischenräume zwischen den einzelnen Strahlenbündeln auftreten. Solche Zwischenräume würden die Strahlqualität beeinträchtigen, die beispielsweise über den bekannten Parameter M² ausgedrückt werden kann, wobei ein großer Wert M² einer schlechten Strahlqualität entspricht.
Das Zylinderlinsenarray kann eine Grundfläche und/oder eine Deckfläche aufweisen. Die Grundfläche kann in einer xz-Ebene bei y = y_G liegen. Die Deckfläche kann in einer xz-Ebene bei y = y_D liegen.
Das Zylinderlinsenarray kann aus einem durchgängig ausgebildeten optisch transparenten Körper bestehen. Das Zylinderlinsenarray kann beispielsweise Prägen hergestellt werden. Das Zylinderlinsenarray kann im Plattenverbund hergestellt werden, wobei die erste und zweite Oberfläche auf der Vorderseite bzw. der Rückseite der Platte angeordnet sind, und durch nachfolgende Vereinzelung die Grundfläche, die Deckfläche und zwei Seitenflächen erhalten.
Alternativ kann das Zylinderlinsenarray aus mehreren Segmenten bestehen. Jedes Segment kann wenigstens eine erste Zylinderlinsenfläche enthalten. Es kann zusätzlich den überwiegenden Teil, d. h. mehr als 50%, der zugeordneten zweiten Zylinderlinsenfläche umfassen. Die Grenzflächen zwischen den Segmenten können in yz-Ebenen liegen. Die Grenzflächen können in der Mitte zwischen den optischen Achsen benachbarter Zylinderlinsenflächen liegen. Die Grenzflächen benachbarter Segmente können mit einer lichtdurchlässigen Zwischenschicht verbunden sein.
Die Zylinderlinsenflächenpaare können jeweils ein konfokales Zylinderlinsenteleskop bilden. Das heißt, dass die ersten Zylinderlinsenflächen im wirksamen Schnitt jeweils einen gemeinsamen Brennpunkt mit den zweiten Zylinderlinsenflächen haben.
Eine erfindungsgemäße Optikbaugruppe umfasst ein lichtemittierendes Element, welches mehrere in einer Reihe angeordnete Lichtquellen mit einem Mittenabstand p aufweist. Dieses Element kann ein Diodenlaserbarren sein, der mehrere in x Richtung angeordnete Breitstreifenemitter als Lichtquellen enthält, die in jeweils den gleichen Mittenabstand p zwischen benachbarten Emittern aufweisen können. Diese Emitter emittieren jeweils ein divergentes Strahlenbündel, wobei die Zentralstrahlen der Strahlenbündel in einer gemeinsamen Bezugsebene xz liegen und eine gemeinsame Ausbreitungsrichtung z haben. Die Optikbaugruppe umfasst ein Kollimationselement, welches wenigstens die Divergenz der Strahlenbündel bezüglich der senkrecht zur Bezugsebene liegenden Richtung verringert. Ein solches Element kann als FAC (fast axis collimator) Linse bezeichnet werden. Seltener ist die Bezeichnung „schnelle Achse” anzutreffen. Die FAC-Linse kann als Zylinderlinse ausgebildet sein, beispielsweise als asphärische Zylinderlinse mit einer Brennweite zwischen 0.3 mm und 1 mm. Weiterhin umfasst die Optikbaugruppe ein oben beschriebenes erfindungsgemäßes Zylinderlinsenarray. Dieses Zylinderlinsenarray kann vorzugsweise als Array konfokaler Zylinderlinsenteleskope ausgeprägt sein. Dieses Array bewirkt eine Drehung der Strahlenbündel der einzelnen Emitter jeweils um einen rechten Winkel um die Ausbreitungsrichtung z. Dadurch wir die Divergenz der vom lichtemittierenden Element ausgehenden Strahlenbündel in der xz-Ebene beim Passieren des Zylinderlinsenarrays in eine Divergenz senkrecht zur xz-Ebene überführt. Die nach dem Kollimationselement vorhandene Restdivergenz der Strahlenbündel in fast axis Richtung wird beim Passieren des Zylinderlinsenarrays in die xz-Ebene überführt. Das erfindungsgemäße Zylinderlinsenarray kann dabei von den Strahlenbündeln großflächiger ausgeleuchtet werden im Vergleich zu bekannten Zylinderlinsenarrays. Dadurch ist die erfindungsgemäße Optikbaugruppe in der Lage, eine bessere Strahlqualität zu liefern.
Die Strahlenbündel des oben beschriebenen lichtemittierenden Elements können nach folgendem Verfahren symmetrisiert werden. Dabei wird zunächst die Divergenz der Strahlenbündel bezüglich einer Richtung y senkrecht zur Richtung x der Reihenanordnung mittels eines Kollimationselements verringert. Das Kollimationselement ist oben beschrieben. Außerdem wird nachfolgend eine Drehung der einzelnen Strahlenbündel jeweils um einen rechten Winkel um die optische Achse ausgeführt. Diese Drehung erfolgt mittels eines erfindungsgemäßen Zylinderlinsenarrays, das vorzugsweise als Arrays konfokaler Zylinderlinsenteleskope ausgebildet ist. Dabei trifft jeweils ein Strahlenbündel auf eine eintrittsseitige erste Zylinderlinsenfläche auf, die sich auf einer ersten Oberfläche des Arrays befindet, wobei die Scheitellinien der Zylinderlinsenflächen parallel zueinander sind und einen Winkel mit einem Betrag von annähernd 45° zur Richtung der Reihenanordnung einschließen. Das jeweils eine Strahlenbündel tritt aus einer austrittsseitigen zweiten Zylinderlinsenfläche aus, die sich auf einer zweiten Oberfläche des Arrays befindet und der eintrittsseitigen Zylinderlinsenfläche zugeordnet ist. Die Scheitellinien der austrittsseitigen Zylinderlinsenflächen sind parallel zu denen der eintrittsseitigen Zylinderlinsenflächen. Die Scheitellinien zugeordneter Zylinderlinsenflächen spannen jeweils eine Schnittebene des unwirksamen Schnitts auf, wie oben beschrieben. Die ersten Zylinderlinsenflächen erstrecken sich in wenigstens einem Bereich bis über die Mittelebenen zwischen den Schnittebenen des unwirksamen Schnitts benachbarter Zylinderlinsenteleskope. Vorzugsweise können es zwei Bereiche je erster Zylinderlinsenfläche sein.
Die Ausdehnung (Breite) der Lichtquellen in Richtung x der Reihenanordnung kann größer sein als 30% des Mittenabstands p. In diesem Fall ist kann es besonders vorteilhaft sein, die zweiten Zylinderlinsenflächen in wenigstens einem Bereich bis über die Mittelebenen zwischen den Schnittebenen des unwirksamen Schnitts benachbarter Zylinderlinsenflächenpaare zu erstrecken.
Es versteht sich, dass die eben beschriebenen Ausführungsformen in Alleinstellung oder in Kombination untereinander dargestellt werden können. Umfasst eine bevorzugte Ausführungsform eine „und/oder”-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass die Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
Vorteilhafte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 Zylinderlinsenarray nach dem Stand der Technik, erste Oberfläche
2 Zylinderlinsenarray nach dem Stand der Technik, zweite Oberfläche
3 erstes Beispiel eines Zylinderlinsenarrays, Blick auf Deckfläche und erste Oberfläche
4 erstes Beispiel eines Zylinderlinsenarrays, Blick auf Grundfläche und zweite Oberfläche
5 erstes Beispiel eines Zylinderlinsenarrays, erste Oberfläche
6 erstes Beispiel eines Zylinderlinsenarrays, zweite Oberfläche
7 zweites Beispiel eines Zylinderlinsenarrays, Blick auf Deckfläche und erste Oberfläche
8 zweites Beispiel eines Zylinderlinsenarrays, Blick senkrecht auf die Deckfläche
9 drittes Beispiel eines Zylinderlinsenarrays, Blick auf Deckfläche und erste Oberfläche
10 drittes Beispiel eines Zylinderlinsenarrays, Blick auf Grundfläche und zweite Oberfläche
11 drittes Beispiel eines Zylinderlinsenarrays, erste Oberfläche
12 drittes Beispiel eines Zylinderlinsenarrays, zweite Oberfläche
13 Verfahren zur Strahldrehung nach dem Stand der Technik
14 erstes Beispiel einer Optikbaugruppe
15 erstes Beispiel einer Optikbaugruppe
16 erstes Beispiel einer Optikbaugruppe Ausschnitt mit Strahlengang
17 Strahlprofile einer Zylinderlinsenanordnung nach dem Stand der Technik (erste und zweite Oberfläche)
18 Strahlprofile einer erfindungemäßen Zylinderlinsenanordnung des ersten Ausführungsbeispiels (erste und zweite Oberfläche)
19 Strahlprofile einer erfindungemäßen Zylinderlinsenanordnung des dritten Ausführungsbeispiels (erste und zweite Oberfläche)
1 zeigt ein Zylinderlinsenarray nach dem Stand der Technik in der Vorderansicht. Zur Veranschaulichung wird der Querschnitt einfallender Strahlenbündel 21 rechteckig angenommen. Das ist eine Vereinfachung, die nicht exakt zutreffen muss. Diese Vereinfachung wird oft für die Strahlung von multimodigen Diodenlasern verwendet und ermöglicht hier ein Verständnis der Erfindung. Da die Grenzen zwischen den ersten Zylinderlinsenflächen um 45° gegenüber der x-Achse geneigt sind, ist hier die Größe der möglichen Strahlquerschnitte begrenzt. Die Höhe der Strahlquerschnitte in y Richtung ist bekanntermaßen durch die Brennweite der ersten Kollimationslinse und die Divergenz der Strahlenbündel in fast axis-Richtung bestimmt. Die Brennweite der ersten Kollimationslinse (FAC, in 1 nicht dargestellt) kann beispielsweise 600 μm betragen. Die Abbildung verdeutlicht die bei der gegebenen Höhe der Strahlquerschnitte maximal mögliche Breite. Die Breite der Strahlquerschnitte in x-Richtung wird durch die Divergenz der Strahlenbündel und die Breite der Emitter des Diodenlaserbarrens bestimmt. In dem Beispiel wird ein Diodenlaserbarren mit einem Füllfaktor von 10% verwendet. Wenn man Verluste von Strahlungsenergie in Kauf nimmt, könnte man beispielsweise auch Barren mit einem Füllfaktor von 20% einsetzen. Unmittelbar nach dem Austritt aus dem Zylinderlinsenarray können die Strahlenbündel 22 einen parallelogrammförmigen Querschnitt haben, der durch die Transformation des idealisierten rechteckförmigen Strahlquerschnitts der einfallenden Strahlenbündel entsteht. Das ist in der in 2 dargestellten Ansicht des Zylinderlinsenarray nach dem Stand der Technik zu sehen. Diese Ansicht stellt die senkrechte Projektion der zweiten Oberfläche auf die erste Bezugsebene dar, also einen Blick von innen in Strahlrichtung auf die Lichtaustrittsfläche des Zylinderlinsenarrays. Das ist äquivalent zu einer vertikal gespiegelten Rückansicht. Zwischen diesen Parallelogrammen befinden sich bei einem Zylinderlinsenarray nach dem Stand der Technik. Zwischenräume 30, die keine Strahlung beinhalten, was zu einer schlechten Strahlqualität führt. Die Transformation der Strahlung an einem Zylinderlinsenarray wird als bekannt vorausgesetzt, das Prinzip ist in 13 skizziert. Einfallende Strahlenbündel werden um einen rechten Winkel um die optische Achse (d. h. die Ausbreitungsrichtung z) gedreht.
3 zeigt ein erstes Beispiel eines erfindungsgemäßen Zylinderlinsenarrays mit Blick auf die Deckfläche 8 und die erste Oberfläche, die hier die Lichteintrittsfläche ist. 4 zeigt das erste Beispiel eines Zylinderlinsenarrays mit Blick auf die Grundfläche 7 und zweite Oberfläche, die hier die Lichtaustrittsfläche ist. 5 zeigt das erste Beispiel eines Zylinderlinsenarrays in der Vorderansicht, d. h. mit Blick auf die erste Oberfläche. Das bedeutet eine senkrechte Projektion auf die erste Bezugsebene xy. Blickrichtung ist die Strahlrichtung z. Die ersten Zylinderlinsenflächen 9 der ersten Oberfläche haben jeweils eine Scheitellinie 12, die um 45° gegenüber der x-Achse geneigt ist. Die Scheitellinien 12 haben jeweils bei Betrachtung in x-Richtung einen Versatz p. Da die Scheitellinien um 45° gegenüber der x-Richtung geneigt sind, beträgt der Abstand benachbarter Scheitellinien p/√2, wie in 5 dargestellt. Die Scheitellinien enden jeweils an den vertikal dargestellten Rändern der Zylinderlinsenflächen, sie befinden sich also nur innerhalb der Zylinderlinsenflächen 9. Die Scheitellinien liegen zusammen mit der Zylinderachse in einer Ebene, dem unwirksamen Schnitt 14. In der Mitte zwischen diesen Ebenen 14 kann man jeweils Mittelebenen 15 definieren. Der Übersichtlichkeit halber ist nur eine dieser Mittelebenen eingezeichnet. Die ersten Zylinderlinsenflächen 9 haben in der Darstellung jeweils einen rechteckigen Rand. Die ersten Zylinderlinsenflächen 9 erstrecken sich in zwei Bereichen jeweils bis über die Mittelebenen 15 hinaus. Zwei dieser Erstreckungsbereiche 16 sind zur Verdeutlichung mit einer schrägen Schraffur gekennzeichnet. Jede der ersten Zylinderlinsenflächen 9 weist zwei solcher Bereiche 16 auf, der Übersichtlichkeit halber sind in der Darstellung 5 jedoch nur zwei der Bereich mit der Schraffur versehen. Zwischen den Zylinderlinsenflächen 9 befinden sich Zwischenflächen 10, die keine optische Funktion haben. Diese Zwischenflächen sind eben ausgebildet und liegen alle in einer Ebene, die der zweiten Bezugsebene 3 entspricht. Diese Ebene ist dadurch gekennzeichnet, dass sie die am weitesten vom Scheitel 12 beabstandeten Punkte der ersten Zylinderlinsenflächen 9 enthält. Sie ist parallel zur ersten Bezugsebene 2 in einem Abstand, welcher der erforderlichen Strukturtiefe zur Herstellung der ersten Oberfläche entspricht. Die Scheitellinien 12 in 5 verlaufen innerhalb der ersten Zylinderlinsenflächen und enden an deren vertikal dargestellten Grenzen, während die in gleicher Richtung verlaufenden unwirksamen Schnitte 14 als unbegrenzte Ebenen definiert sind. Weiterhin angegeben sind einfallende Strahlenbündel 21, deren Querschnitte auch hier zur Veranschaulichung rechteckig angenommen werden. Da die Ränder der Zylinderlinsenflächen senkrecht zur Richtung x der Reihenanordnung stehen, sind hier größere Strahlquerschnitte als im Stand der Technik möglich wäre. Die Höhe der einfallenden Strahlquerschnitte ist bekanntermaßen durch die Brennweite der ersten Kollimationslinse (FAC, nicht dargestellt) bestimmt. Diese kann beispielsweise 900 μm betragen. Die Höhe h des Zylinderlinsenarrays ist so gewählt, dass die im Vergleich zu 1 größere Strahlhöhe der einfallenden Strahlenbündel aufgenommen werden kann. Die Breite der Strahlenbündel in einem bestimmten Abstand vom Diodenlaserbarren wird durch die Divergenz der Strahlenbündel und die Breite der Emitter bestimmt. In dem Beispiel wird ein Diodenlaserbarren mit einem Füllfaktor von 20% verwendet. Auch die größere Breite der Strahlenbündel führt hier nicht zu Verlusten durch die geometrische Eintrittsapertur. Unmittelbar nach dem Austritt aus dem Zylinderlinsenarray können die Strahlenbündel einen parallelogrammförmigen Querschnitt 22 haben, der durch die Transformation des idealisierten rechteckförmigen Strahlquerschnitts der einfallenden Strahlenbündel entsteht. Das ist in der in 6 dargestellten Ansicht des ersten Beispiels zu sehen. Diese Ansicht stellt die senkrechte Projektion der zweiten Oberfläche auf die erste Bezugsebene dar, also einen Blick von innen in Strahlrichtung auf die Lichtaustrittsfläche des Zylinderlinsenarrays. Diese Ansicht ist äquivalent zu einer vertikal gespiegelten Rückansicht. Zwischen diesen Parallelogrammen 22 befinden sich nur geringe Zwischenräume, die keine Strahlung beinhalten. Daher hat die Ausgangsstrahlung eine hohe Strahlqualität.
Vorteilhafterweise sind in dem ersten Beispiel die Ränder der zweiten Zylinderlinsenflächen 11 in den Mittelebenen angeordnet, die sich in der Mitte zwischen den Ebenen des unwirksamen Schnitts 14 befinden. Benachbarte zweite Zylinderlinsenflächen grenzen über eine gemeinsame Grenzlinie 18 direkt aneinender an. Das bedeutet, dass keine Zwischenflächen auf der zweiten Oberfläche vorhanden sind. Einfallende Strahlenbündel werden am Zylinderlinsenarray in bekannter Weise um einen rechten Winkel um die optische Achse gedreht.
In 7 und 8 ist ein zweites Ausführungsbeispiel dargestellt. 7 zeigt das zweite Beispiel eines Zylinderlinsenarrays 1. mit Blick auf Deckfläche 8 und erste Oberfläche. Die ersten Zylinderlinsenflächen 9 der ersten Oberfläche 5 haben jeweils die gleiche Form und Größe wie beim ersten Ausführungsbeispiel. Die erste Oberfläche 5 unterscheidet sich gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel lediglich durch die Ausbildung der Zwischenflächen 10. Die zwischen den ersten Zylinderlinsenflächen 9 befindlichen Zwischenflächen 10 grenzen in diesem Beispiel jeweils stetig an die Zylinderlinsenfläche 9 an. Deshalb sind keine Stufen (Sprünge der Oberflächenfunktion z(x, y)) vorhanden. Die Zwischenflächen 10 sind können deshalb nicht eben ausgebildet sein, sondern sie weisen eine Verwölbung auf, die die Form der Randlinien der beiden angrenzenden Zylinderlinsenflächen vermittelt. Die erste Oberfläche kann zusätzlich auch in der ersten Ableitung stetig sein, so dass wie in 7 keine Kanten zwischen den Zylinderlinsenflächen 9 und den Zwischenflächen 10 mehr vorhanden sind. Die Zwischenflächen 10 können wie in 8 dargestellt ist, zwischen der ersten Bezugsebene 2 und der zweiten Bezugsebene 3 liegen. Die zweite Oberfläche 6 ist identisch zu der des ersten Ausführungsbeispiels.
In 9 bis 12 ist ein drittes Ausführungsbeispiel eines Zylinderlinsenarrays 1 dargestellt. Die Ansichten entsprechen denen des ersten Ausführungsbeispiels. Auch in diesem dritten Beispiel sind einfallende Strahlenbündel 21 dargestellt, deren Querschnitte rechteckig angenommen werden. Da die Ränder der ersten Zylinderlinsenflächen senkrecht zur Richtung x der Reihenanordnung stehen und die ersten Zylinderlinsenflächen 9 jeweils ohne Zwischenflächen direkt aneinander angrenzen, sind hier noch größere einfallende Strahlquerschnitte als im ersten Ausführungsbeispiel möglich. Die Breite der ersten Zylinderlinsenfläche entspricht hier dem Mittenabstand p. Die Brennweite der ersten Kollimationslinse (FAC, nicht dargestellt) kann beispielsweise 900 μm betragen. Die Breite der Strahlenbündel wird durch die Divergenz der Strahlenbündel und die Breite der Emitter des Diodenlaserbarrens bestimmt. In dem Beispiel wird ein Diodenlaserbarren mit einem Füllfaktor von 50% verwendet. Die noch größere Breite der Strahlenbündel (Ausdehnung in x-Richtung) führt hier nicht zu Verlusten durch die geometrische Eintrittsapertur. Unmittelbar nach dem Austritt aus dem Zylinderlinsenarray können die Strahlenbündel einen im Wesentlichen rechteckförmigen Querschnitt 22 haben, der durch die Transformation des idealisierten rechteckförmigen Strahlquerschnitts der einfallenden Strahlenbündel entsteht. Das ist in der in 12 dargestellten Ansicht des dritten Beispiels zu sehen. Diese Ansicht stellt die senkrechte Projektion der zweiten Oberfläche auf die erste Bezugsebene dar, also einen Blick von innen in Strahlrichtung auf die Lichtaustrittsfläche des Zylinderlinsenarrays. Diese Ansicht ist äquivalent zu einer vertikal gespiegelten Rückansicht. Da die Querschnitte der austretenden Strahlenbündel im Wesentlichen rechteckig sind, sind auch die zweiten Zylinderlinsenflächen mit rechteckigen Begrenzungen vorgesehen worden. Das heißt, dass die erste Oberfläche und die zweite Oberfläche spiegelbildlich gleich ausgebildet sind. Zwischen diesen Rechtecken 22 befinden sich nur geringe Zwischenräume, die keine Strahlung beinhalten. Daher hat die Ausgangsstrahlung eine hohe Strahlqualität. Zu erkennen sind ebenfalls, dass zwei der Ecken der Rechtecke 22 abgeschrägt sind. Das ist durch Abbildungsfehler der ersten Zylinderlinsenoberflächen bedingt, die z. B. dann auftreten, wenn der konische Parameter k und die asphärischen Parameter A nach Gleichung 1 mit dem Wert Null belegt sind, d. h. bei sphärischen Zylinderlinsenflächen. Eine Ausbildung als asphärische Zylinderlinsenflächen würde in einem weiteren nicht dargestellten Ausführungsbeispiel das Fehlen der Ecken beseitigen.
In 14 bis 16 ist ein erstes Beispiel einer Optikbaugruppe 1 dargestellt. Dargestellt ist ein Diodenlaserbarren 26 mit Wärmesenke nebst einer FAC-Linse 31 und einem Zylinderlinsenarray 1. In der Ausschnittdarstellung 16 ist der Strahlengang in einer Seitenansicht yz erkennbar. Die vom Diodenlaserbarren emittierten Strahlenbündel breiten sich in z-Richtung 4 mit einer fast-axis Divergenz 27 aus wobei die optische Achse 20 jeweils dem Zentralstrahl entspricht. Mit der FAC-Linse 31 werden die Strahlenbündel in fast-axis Richtung kollimiert und die derart kollimierten Strahlenbündel 28 fallen auf die erste Oberfläche des Zylinderlinsenarrays 1. Beim Dort erfolgt die Drehung der einzelnen Strahlenbündel jeweils um die optische Achse. Die austretenden Strahlenbündel verlassen die zweite Oberfläche 6 mit einer Divergenz der slow-axis Richtung 24, die durch die FAC-Linse nicht kollimiert wurde. Diese Richtung liegt nun wegen der Strahldrehung um einen rechten Winkel in der yz-Ebene.
17 zeigt die berechneten Profile der Strahlenbündel einer Zylinderlinsenanordnung nach dem Stand der Technik. Links ist die erste Oberfläche dargestellt und rechts die zweite Oberfläche.
18 zeigt die berechneten Profile der Strahlenbündel einer Zylinderlinsenanordnung des ersten Ausführungsbeispiels. Links ist die erste Oberfläche dargestellt und rechts die zweite Oberfläche. Die Graustufendarstellung zeigt, dass die als rechteckig angenommenen Querschnitte der Strahlenbündel auf der ersten Oberfläche bzw. die als parallelogrammförmig angenommenen Querschnitte der Strahlenbündel auf der zweiten Oberfläche geeignet sind, die Funktionsweise des Zylinderlinsenarrays zu beschreiben. Man sieht auch, dass eine bestimmte Intensitätsverteilung innerhalb der Rechtecke bzw. Parallelogramme vorhanden ist, die allein mit den Darstellungen nach 1, 2, 5, 6, 11 und 12 nicht wiedergegeben werden können. 19 zeigt die Strahlprofile einer erfindungemäßen Zylinderlinsenanordnung des dritten Ausführungsbeispiels.
Bezugszeichenliste

1: Zylinderlinsenarray
2: erste Bezugsebene xy
3: zweite Bezugsebene
4: Strahlausbreitungsrichtung z
5: erste Oberfläche
6: zweite Oberfläche
7: Grundfläche
8: Deckfläche
9: erste Zylinderlinsenflächen (auf der ersten Oberfläche)
10: Zwischenflächen
11: zweite Zylinderlinsenflächen (auf der zweiten Oberfläche)
12: erste Scheitellinien der ersten Zylinderlinsenflächen
13: zweite Scheitellinien der zweiten Zylinderlinsenflächen
14: unwirksame Schnitte
15: Mittelebenen zwischen den unwirksamen Schnitten
16: Bereich der Erstreckung einer ersten Zylinderlinsenfläche über die Mittelebene hinaus
17: Bereich der Erstreckung einer zweiten Zylinderlinsenfläche über die Mittelebene hinaus
18: Grenzen der zweiten Zylinderlinsenflächen
19: Richtung x der Reihenanordnung
20: optische Achse (z-Richtung)
21: Strahlquerschnitte erste Oberfläche
22: Strahlquerschnitte zweite Oberfläche
23: slow axis-Richtung erste Oberfläche (x-Richtung)
24: slow axis-Richtung zweite Oberflächen (y-Richtung)
25: Optikbaugruppe
26: Diodenlaserbarren
27: Strahlenbündel, divergent in fast axis
28: Strahlenbündel, kollimiert in fast axis
29: Strahlenbündel, divergent in slow axis
30: Zwischenräume zwischen Strahlenbündeln
31: erstes optisches Element, FAC

Claims

Zylinderlinsenarray (1), umfassend eine erste Oberfläche (5) mit mehreren in einer Reihe in einer x-Richtung versetzt nebeneinander angeordneten sphärischen oder asphärischen ersten Zylinderlinsenflächen (9), die jeweils eine erste Scheitellinie (12) aufweisen, wobei die ersten Scheitellinien (12) in einer ersten Bezugsebene xy (2) mit einer Flächennormalen z liegen, parallel zueinander sind und einen Winkel mit einem Betrag von 45° zur Richtung x der Reihenanordnung einschließen und benachbarte erste Scheitellinien in Richtung x der Reihenanordnung jeweils einen Versatz p haben, eine zweite Oberfläche (6) mit mehreren in einer Reihe in der x-Richtung versetzt nebeneinander angeordneten sphärischen oder asphärischen zweiten Zylinderlinsenflächen (11), die jeweils eine zweite Scheitellinie (13) aufweisen, welche parallel zu den ersten Scheitellinien (12) ist, wobei jeder der ersten Zylinderlinsenflächen (9) eine der zweiten Zylinderlinsenflächen (11) zugeordnet ist, so dass die einander zugeordneten Zylinderlinsenflächen jeweils ein Zylinderlinsenflächenpaar bilden, wobei jeweils die zweite Scheitellinie (13) gegenüber der ersten Scheitellinie (12) eines Zylinderlinsenflächenpaares in einem Abstand d parallel in Richtung z versetzt angeordnet ist, so dass die erste Scheitellinie mit der zweiten Scheitellinie jeweils ein Scheitellinienpaar bilden, und jedes Scheitellinienpaar einen unwirksamen Schnitt (14) aufspannt, wobei sich die ersten Zylinderlinsenflächen (9) in wenigstens einem Bereich (16) bis über Mittelebenen (15), die mittig zwischen den unwirksamen Schnitten (14) benachbarter Zylinderlinsenflächenpaare befindlich definiert sind, hinaus erstrecken, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen den ersten Zylinderlinsenflächen (9) jeweils Zwischenflächen (10) befinden, die nicht zur optischen Abbildung beitragen.
Zylinderlinsenarray (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenflächen (10) zwischen der ersten Bezugsebene (2) und einer zweiten Bezugsebene (3) liegen, die durch die Punkte der ersten Zylinderlinsenflächen, die jeweils den größten Abstand zur ersten Scheitellinie (12) der ersten Zylinderlinsenfläche haben, definiert wird.
Zylinderlinsenarray (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenflächen (10) stetig an die Zylinderlinsenflächen (9) angrenzen.
Zylinderlinsenarray (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenflächen (10) eine Verwölbung aufweisen, die die Form der Randlinien der beiden angrenzenden Zylinderlinsenflächen (10) vermittelt.
Zylinderlinsenarray (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Oberfläche (5) in der ersten Ableitung stetig ist, so dass keine Kanten zwischen den Zylinderlinsenflächen (9) und den Zwischenflächen (10) vorhanden sind.
Zylinderlinsenarray (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzen zwischen jeweils zwei zweiten Zylinderlinsenflächen (11) parallel zu den zweiten Scheitellinien (13) sind und/oder diese Grenzen in den Mittelebenen (15) liegen.
Zylinderlinsenarray (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die zweiten Zylinderlinsenflächen (11) in wenigstens einem Bereich (17) bis über die Mittelebenen (15) hinaus erstrecken.
Zylinderlinsenarray (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Grundfläche (7) und eine Deckfläche (8) aufweist.
Zylinderlinsenarray (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es aus einem durchgängig ausgebildeten optisch transparenten Körper besteht.
Zylinderlinsenarray (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es aus mehreren Segmenten besteht, wobei jedes Segment wenigstens eine erste Zylinderlinsenfläche und den überwiegenden Teil der zugeordneten zweiten Zylinderlinsenfläche enthält.
Zylinderlinsenarray (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderlinsenflächenpaare jeweils ein konfokales Zylinderlinsenteleskop bilden.
Optikbaugruppe umfassend – ein lichtemittierendes Element (26) welches mehrere in einer Reihe angeordnete Lichtquellen mit einem Mittenabstand p aufweist, die jeweils ein divergentes Strahlenbündel emittieren, wobei die Zentralstrahlen der Strahlenbündel in einer gemeinsamen Bezugsebene liegen und eine gemeinsame Ausbreitungsrichtung haben, – ein erstes optisches Element (31), welches wenigstens die Divergenz der Strahlenbündel bezüglich der senkrecht zur Bezugsebene liegenden Richtung verringert und – ein Zylinderlinsenarray (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, welches eine Drehung der Strahlenbündel der einzelnen Emitter jeweils um einen rechten Winkel um die Ausbreitungsrichtung bewirkt, wobei die erste Oberfläche (5) des Zylinderlinsenarrays die Lichteintrittsfläche und die zweite Oberfläche (6) die Lichtaustrittsfläche des Zylinderlinsenarrays sind.
Optikbaugruppe nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausdehnung wenigstens einer der Lichtquellen in Richtung x der Reihenanordnung größer ist als 30% des Mittenabstands p.