-
GEBIET
-
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf strahlenoptische Systeme. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf die Spreizung eines Ablenkwinkelbereiches eines parallelen Strahlenbündels in einem strahlenoptischen System.
-
HINTERGRUND
-
Durch den Einsatz von akusto- und elektrooptischen Deflektoren können Lichtstrahlen typischerweise um einige Grad abgelenkt werden. Für die Anwendung in Schweiß-, Schneid-, Beschriftungs-, Scan- oder Show-Lasersystemen werden jedoch oftmals deutlich höhere Ablenkungen benötigt.
-
Diese werden im Stand der Technik beispielsweise dadurch erreicht, dass mechanische Systeme zum Einsatz kommen, wie beispielsweise Galvo- oder Servomotoren. Mechanische Systeme haben jedoch den Nachteil einer geringen Geschwindigkeit und des Auftretens von Verschleiß.
-
ZUSAMMENFASSUNG
-
Vor dem Hintergrund dieses Standes der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein strahlenoptisches System zur Spreizung des Ablenkwinkelbereiches eines parallelen Strahlenbündels bereitzustellen, welches die Nachteile bekannter mechanischer Systeme nicht aufweist.
-
Diese Aufgabe wird durch ein strahlenoptisches System nach Anspruch 1 gelöst.
-
Das erfindungsgemäße strahlenoptische System umfasst eine Lichtquelle, wobei die Lichtquelle dazu eingerichtet ist, ein paralleles Strahlenbündel zu erzeugen und das parallele Strahlenbündel in einer ersten Abstrahlrichtung und in einer zweiten Abstrahlrichtung auszusenden, wobei die erste Abstrahlrichtung und die zweite Abstrahlrichtung eine erste Ebene aufspannen.
-
Das parallele Strahlenbündel schließt, wenn es in der ersten Abstrahlrichtung ausgesendet wird, mit einem auf eine Grenzfläche durch einen Reflexions- oder Austrittsort des parallelen Strahlenbündels gefällten Lot, projiziert in die erste Ebene, einen ersten Winkel ein, und schließt, wenn es in der zweiten Abstrahlrichtung ausgesendet wird, mit einem auf die Grenzfläche durch einen Reflexions- bzw. Austrittsort des parallelen Strahlenbündels gefällten Lot, projiziert in die erste Ebene, einen zweiten Winkel ein, der größer ist als der erste Winkel.
-
Das parallele Strahlenbündel, schließt, wenn es in der zweiten Abstrahlrichtung ausgesendet wird, mit einem auf eine weitere Grenzfläche durch einen Rellexions- oder Austrittsort des parallelen Strahlenbündels gefällten Lot, projiziert in die erste Ebene, einen dritten Winkel ein, und schließt wenn es in der ersten Abstrahlrichtung ausgesendet wird, mit einem auf die weitere Grenzfläche durch einen Reflexions- bzw. Austrittsort des parallelen Strahlenbündels gefällten Lot, projiziert in die erste Ebene, einen vierten Winkel ein, der größer ist als der dritte Winkel.
-
Das heißt, dass die Grenzflächen, an denen das Strahlenbündel vom Lot weg gebeugt oder gebrochen wird, so angeordnet sind, dass eine stärkere Ablenkung des Strahlenbündels an einer der Grenzflächen durch eine schwächere Ablenkung an der anderen Grenzfläche kompensiert wird, so dass sich insgesamt über verschiedene Abstrahlrichtungen eine gleichmäßige Strahlablenkung und damit Spreizung des Ablenkwinkelbereiches ergibt.
-
Vorzugsweise grenzt die Grenzfläche an ein diffraktives oder refraktives optisches Element an, besonders vorzugsweise an ein optisches Gitter und insbesondere an ein Transmissionsgitter oder ein Reflexionsgitter. Vorzugsweise grenzt ferner die weitere Grenzfläche an ein diffraktives oder refraktives optisches Element an, besonders vorzugsweise an ein optisches Gitter und insbesondere an ein Transmissionsgitter oder ein Reflexionsgitter.
-
Dabei soll der Begriff „Grenzfläche”, wie er in den Ansprüchen und der Beschreibung verwendet wird, breit verstanden werden und sowohl Grenzflächen, welche real existierende optische Elemente abgrenzen, als auch „gedachte” Grenzflächen umfassen, an denen sich die Ausbreitungsrichtung eines auf die Grenzfläche treffenden Strahlenbündels verändert, sei es durch „Reflexion an der Grenzfläche” oder durch Beugung bei Durchtritt durch die Grenzfläche, wobei die Grenzfläche insbesondere auch durch ein optisches Element verlaufen kann. Ferner sollen unter den Begriff „Grenzfläche” neben Grenzflächen, welche eine real-existierende (ebene) Oberfläche abgrenzen, auch solche Grenzflächen verstanden werden, die eine realexistierende nicht-ebene Oberfläche, wie beispielsweise eine treppenförmige Oberfläche eines geblazten Gitters, teilweise abgrenzen.
-
Vorzugsweise ist die Grenzfläche eine erste ebene (planare) Grenzfläche und die weitere Grenzfläche eine dritte ebene Grenzfläche und das parallele Strahlenbündel tritt, in der ersten Abstrahlrichtung und in der zweiten Abstrahlrichtung, aus einem ersten Bereich durch die erste ebene Grenzfläche in einen zweiten Bereich, aus dem zweiten Bereich durch eine zweite ebene Grenzfläche in einen dritten Bereich und aus dem dritten Bereich durch die dritte ebene Grenzfläche in einen vierten Bereich, wobei der erste Bereich einen größeren Brechungsindex aufweist als der zweite Bereich und der dritte Bereich einen größeren Brechungsindex aufweist als der vierte Bereich.
-
Die erste ebene Grenzfläche ist so angeordnet, dass das parallele Strahlenbündel, wenn es in der ersten Abstrahlrichtung ausgesendet wird, mit dem auf die erste ebene Grenzfläche durch den Austrittsort des parallelen Strahlenbündels gefällten Lot, projiziert in die erste Ebene, einen ersten Winkel einschließt, der mehr als 30°, vorzugsweise mehr als 60° und besonders vorzugsweise mehr als 75° beträgt und, wenn das parallele Strahlenbündel in der zweiten Abstrahlrichtung ausgesendet wird, es mit dem auf die erste ebene Grenzfläche durch den Austrittsort des parallelen Strahlenbündels gefällten Lot, projiziert in die erste Ebene, einen zweiten Winkel einschließt, der größer ist als der erste Winkel.
-
Die zweite ebene Grenzfläche ist so angeordnet, dass das parallele Strahlenbündel, wenn es in der ersten Abstrahlrichtung oder der zweiten Abstrahlrichtung ausgesendet wird, mit dem auf die zweite ebene Grenzfläche durch den Auftreffort des parallelen Strahlenbündels gefällten Lot einen Winkel einschließt, der weniger als 45°, vorzugsweise weniger als 30° und besonders vorzugsweise weniger als 15° beträgt.
-
Die dritte ebene Grenzfläche ist so angeordnet, dass das parallele Strahlenbündel, wenn es in der zweiten Abstrahlrichtung ausgesendet wird, mit dem auf die dritte ebene Grenzfläche durch den Austrittsort des parallelen Strahlenbündels gefällten Lot, projiziert in die erste Ebene, einen dritten Winkel einschließt, der mehr als 30°, vorzugsweise mehr als 60° und besonders vorzugsweise mehr als 75° beträgt und, wenn das parallele Strahlenbündel in der ersten Abstrahlrichtung ausgesendet wird, es mit dem auf die dritte ebene Grenzfläche durch den Austrittsort des parallelen Strahlenbündels gefällten Lot, projiziert in die erste Ebene, einen vierten Winkel einschließt, der größer ist als der dritte Winkel.
-
Unter dem Begriff „Bereich” wird im Sinne dieser Erfindung insbesondere auch ein von einem dreidimensionalen Körper eingenommener Bereich verstanden, wobei der Körper lichtdurchlässig ist, vorzugsweise einen homogenen Brechungsindex aufweist und das Material, aus dem der Körper besteht insbesondere Glas oder Kunststoff sein kann. Ferner fällt unter den Begriff „Bereich” im Sinne dieser Erfindung insbesondere auch ein von Gas oder einem Gasgemisch, wie bspw. Luft, eingenommener Bereich.
-
Tritt das parallele Strahlenbündel durch die erste ebene Grenzfläche, die so angeordnet ist, dass das Strahlenbündel unter einem Winkel von über 30° zur Normalen der ersten ebenen Grenzfläche durch die erste ebene Grenzfläche durchtritt, führt eine Variation der Abstrahlrichtung zu einer nichtlinearen Brechung und damit zu einer nichtlinearen Aufweitung des Austrittwinkels des parallelen Strahlenbündels aus der ersten ebenen Grenzfläche, d. h. des Winkels zwischen dem von der Normalen der ersten ebenen Grenzfläche weg gebrochenen Strahlenbündel und der Normalen. Die Variation des Abstrahlwinkels kann somit gespreizt werden, wobei die Spreizung umso größer und nichtlinearer wird, desto stärker die erste Oberfläche relativ zum parallelen Strahlenbündel verkippt ist.
-
Der vorliegenden Erfindung liegt die Idee zu Grunde, die Spreizung der Variation des Abstrahlwinkels zu erhöhen, ohne die Nichtlinearität der Spreizung weiter zu erhöhen bzw. die nach dem Austritt aus der ersten ebenen Grenzfläche bestehende Nichtlinearität zu verringern, indem ein an der ersten ebenen Grenzfläche bei der ersten Abstrahlrichtung geringer abgelenktes paralleles Strahlenbündel an der dritten ebenen Grenzfläche stärker abgelenkt wird. Somit wird ein erster Teilbereich der Variation der Abstrahlrichtung, der durch Brechung an der ersten ebenen Grenzfläche weniger aufgeweitet wurde als ein zweiter Teilbereich, durch Brechung an der dritten ebenen Grenzfläche stärker aufgeweitet als der zweite Teilbereich, wodurch sich die Aufweitung des ersten und des zweiten Teilbereichs angleicht, wobei die Angleichung durch eine Verkippung der zweiten (und der dritten) ebenen Grenzfläche optimiert werden kann.
-
Vorzugsweise ist die Lichtquelle dazu eingerichtet das parallele Strahlenbündel in einer dritten Abstrahlrichtung auszusenden, welche nicht in der ersten Ebene liegt und mit der ersten Abstrahlrichtung eine zweite Ebene aufspannt, wobei das parallele Strahlenbündel, in der dritten Abstrahlrichtung, aus dem ersten Bereich durch die erste ebene Grenzfläche in den zweiten Bereich tritt, aus dem zweiten Bereich durch die zweite ebene Grenzfläche in den dritten Bereich tritt und aus dem dritten Bereich durch die dritte ebene Grenzfläche in den vierten Bereich tritt.
-
Ferner ist die erste ebene Grenzfläche vorzugsweise so angeordnet, dass das parallele Strahlenbündel, wenn es in der ersten Abstrahlrichtung ausgesendet wird, mit dem auf die erste ebene Grenzfläche durch den Austrittsort des parallelen Strahlenbündels gefällten Lot, projiziert in die zweite Ebene, einen fünften Winkel einschließt, der mehr als 30°, vorzugsweise mehr als 60° und besonders vorzugsweise mehr als 75° beträgt und, wenn das parallele Strahlenbündel in der dritten Abstrahlrichtung ausgesendet wird, es mit dem auf die erste ebene Grenzfläche durch den Austrittsort des parallelen Strahlenbündels gefällten Lot, projiziert in die zweite Ebene, einen sechsten Winkel einschließt, der größer ist als der fünfte Winkel.
-
Des Weiteren ist die zweite ebene Grenzfläche vorzugsweise so angeordnet, dass das parallele Strahlenbündel, wenn es in der dritten Abstrahlrichtung ausgesendet wird, mit dem auf die zweite ebene Grenzfläche durch den Auftreffort des parallelen Strahlenbündels gefällten Lot einen Winkel von weniger als 45°, vorzugsweise weniger als 30° und besonders vorzugsweise weniger als 15° einschließt.
-
Die dritte ebene Grenzfläche ist vorzugsweise so angeordnet, dass das parallele Strahlenbündel, wenn es in der dritten Abstrahlrichtung ausgesendet wird, mit dem auf die dritte ebene Grenzfläche durch den Austrittsort des parallelen Strahlenbündels gefällten Lot, projiziert in die zweite Ebene, einen siebten Winkel einschließt, der mehr als 30°, vorzugsweise mehr als 60° und besonders vorzugsweise mehr als 75° beträgt und, wenn das parallele Strahlenbündel in der ersten Abstrahlrichtung ausgesendet wird, es mit dem auf die dritte ebene Grenzfläche durch den Austrittsort des parallelen Strahlenbündels gefällten Lot, projiziert in die zweite Ebene, einen achten Winkel einschließt, der größer ist als der siebte Winkel.
-
Durch Übertragen des oben beschriebenen Prinzips der Brechung des parallelen Strahlenbündels auf die zweite Ebene kann erreicht werden, dass das strahlenoptische System hinsichtlich der Ablenkung des parallelen Strahlenbündels eine Dimension hinzugewinnt, so dass eine zweidimensionale Ablenkung des parallelen Strahlenbündels möglich ist.
-
Vorzugsweise umfasst die Lichtquelle eine Laserlichtquelle und besonders vorzugsweise einen optischen Scanner, einen optischen Scanner mit Galvomotor, einen optischen Deflektor, einen elektro-optischen Deflektor oder einen akusto-optischen Deflektor.
-
Durch die Verwendung eines Lasers kann ein intensives, hochgradig paralleles Strahlenbündel bereitgestellt werden. Optischer Deflektor, elektro-optischer Deflektor oder akusto-optischer Deflektor sorgen für eine präzise und schnelle Änderung der Abstrahlrichtung. Galvoscanner können bei einem verkleinerten Ablenkwinkelbereich zu einer höheren Scanfrequenz beitragen.
-
Vorzugsweise weisen der erste Bereich und der dritte Bereich einen ersten Brechungsindex auf und der zweite Bereich und der vierte Bereich einen zweiten Brechungsindex auf.
-
Durch gleiche oder annähernd gleiche Brechungsindizes kann die Linearität des Systems bzw. die Linearität der Auspreizung verbessert werden.
-
Vorzugsweise sind der erste Bereich und der dritte Bereich einstückig geformt. Eine einstückige Bauweise ermöglicht kompakte Abmessungen und eine genaue und stabile Ausrichtung der ebenen Grenzflächen zueinander, so dass das aufwendige Ausrichten und Kontrollieren der Ausrichtung der (ebenen) Grenzflächen nicht nötig ist.
-
Vorzugsweise tritt das parallele Strahlenbündel, in jeder der Abstrahlrichtungen, durch eine vierte Grenzfläche in den ersten Bereich ein.
-
Vorzugsweise weicht, in der ersten Ebene, ein Winkel zwischen der vierten ebenen Grenzfläche und der ersten ebenen Grenzfläche von einem Winkel zwischen der zweiten ebenen Grenzfläche und der dritten ebenen Grenzfläche nicht mehr als 5° und vorzugsweise nicht mehr als 1° ab.
-
Besonders vorzugsweise weicht, in der zweiten Ebene, ein Winkel zwischen der vierten ebenen Grenzfläche und der ersten ebenen Grenzfläche von einem Winkel zwischen der zweiten ebenen Grenzfläche und der dritten ebenen Grenzfläche nicht mehr als 5° und vorzugsweise nicht mehr als 1° ab.
-
Durch geringe Abweichungen oder Übereinstimmung der Winkel zwischen der vierten ebenen Grenzfläche und der ersten ebenen Grenzfläche sowie zwischen der zweiten ebenen Grenzfläche und der dritten ebenen Grenzfläche wird die Linearität der Aufweitung des Abstrahlwinkels weiter erhöht, da sich die Brechungen in der ersten und dritten ebenen Grenzfläche besser entsprechen.
-
Vorzugsweise ist die Lichtquelle dazu eingerichtet das parallele Strahlenbündel in eine vierte Abstrahlrichtung auszusenden, wobei, wenn das parallele Strahlenbündel in der vierten Abstrahlrichtung ausgesendet wird, das parallele Strahlenbündel mit der vierten ebenen Grenzfläche und der zweiten ebenen Grenzfläche, projiziert in die erste Ebene und/oder projiziert in die zweite Ebene, einen Winkel zwischen 85° und 95°, vorzugsweise zwischen 88° und 92° und besonders vorzugsweise von 90° einschließt.
-
Tritt das parallele Strahlenbündel mit einem Winkel von weniger als 45° (vorzugsweise weniger als 30°) zur Normalen durch die vierte ebene Grenzfläche, führt eine Variation der Abstrahlrichtung zu einer näherungsweise linearen Variation des Brechungswinkels, d. h. des Winkels zwischen dem zur Normalen der vierten ebenen Grenzfläche hin gebrochenen Strahlenbündel und der Normalen, projiziert in die erste Ebene. Durch Ausrichtung der vierten ebenen Grenzfläche orthogonal zur Projektion der vierten Abstrahlrichtung in die erste Ebene, kann das parallele Strahlenbündel symmetrisch um die vierte Abstrahlrichtung näherungsweis linear gespreizt werden.
-
Vorzugsweise ist die vierte Abstrahlrichtung, projiziert in die erste Ebene, die Winkelhalbierende der ersten Abstrahlrichtung und der zweiten Abstrahlrichtung und besonders vorzugsweise, projiziert in die zweite Ebene, die Winkelhalbierende der ersten Abstrahlrichtung und der dritten Abstrahlrichtung.
-
Dies erlaubt das näherungsweise lineare Aufweiten bzw. Spreizen des Abstrahlwinkels symmetrisch um die vierte Abstrahlrichtung in beiden Ebenen.
-
Vorzugsweise ist die Lichtquelle dazu eingerichtet das parallele Strahlenbündel in einer Vielzahl von Abstrahlrichtungen auszusenden, die in der ersten Ebene und zwischen der ersten Abstrahlrichtung und der zweiten Abstrahlrichtung liegen.
-
Besonders vorzugsweise ist die Lichtquelle dazu eingerichtet das parallele Strahlenbündel in einer Vielzahl von Abstrahlrichtungen auszusenden, die in dem durch die erste Abstrahlrichtung, die zweite Abstrahlrichtung und die dritte Abstrahlrichtung aufgespannten Raumbereich liegen.
-
Dies ermöglicht eine stufenlose Regelbarkeit der Ausrichtung des parallelen Strahlenbündels.
-
Vorzugsweise wird das strahlenoptische System in einem Verfahren zur Spreizung eines Ablenkwinkelbereiches eines parallelen Strahlenbündels verwendet, umfassend die Schritte:
Aussenden des parallelen Strahlenbündels in der ersten Abstrahlrichtung; und
Aussenden des parallelen Strahlenbündels in der zweiten Abstrahlrichtung und besonders vorzugsweise Abstrahlen des parallelen Strahlenbündels in der dritten Abstrahlrichtung.
-
Vorzugsweise erhöht ein weiteres spreizendes Element, vorzugsweise ein (in Strahlrichtung das Strahlbündel) verkleinerndes Teleskop, die Spreizung.
-
Das erfindungsgemäße strahlenoptische System kann insbesondere in Schweiß-, Schneid-, Oberflächenbehandlungs-, Scan-, Beschriftungs-, oder Show-Lasersystemen Anwendung finden, wobei das strahlenoptische System vorteilhafter Weise bekannte mechanische Wirkprinzipien ersetzen kann und dadurch die Geschwindigkeit der Systeme erhöhen und ihren Verschleiß verringern kann.
-
Das erfindungsgemäße strahlenoptische System wird nachstehend anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In den verschiedenen Figuren werden durchgehend gleiche Bezugszeichen für gleiche oder entsprechende Strukturen oder Elemente verwendet.
-
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
-
1 zeigt eine schematische Längsschnittansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen strahlenoptischen Systems;
-
2 zeigt eine schematische Längsschnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen strahlenoptischen Systems;
-
3 zeigt eine schematische Längsschnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen strahlenoptischen Systems;
-
4 zeigt eine schematische Längsschnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen strahlenoptischen Systems; und
-
5 zeigt eine schematische Längsschnittansicht eines diffraktiven optischen Elementes mit der Funktion eines geblazten Transmissionsgitters.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
-
1 zeigt eine schematische Längsschnittansicht (Schnitt entlang der ersten Ebene) eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen strahlenoptischen Systems 10. Das strahlenoptische System 10 umfasst eine Lichtquelle 12, beispielsweise eine Laserstrahlquelle mit einem elektro-optischen Deflektor, welche dazu eingerichtet ist, ein paralleles Strahlenbündel in einer Vielzahl von Abstrahlrichtungen auszusenden, von denen einige in 1–4, projiziert in die Schnittebene der Längsschnittansicht, dargestellt sind. Die Abstrahlrichtungen umfassen beispielsweise eine erste Abstrahlrichtung 14, eine zweite Abstrahlrichtung 16, eine dritte Abstrahlrichtung 18 (alle in die Schnittebene der Längsschnittansicht projiziert) und eine vierte Abstrahlrichtung 18. Es versteht sich jedoch, dass die vorliegende Erfindung nicht auf Laserstrahlquellen, elektro-optische Deflektoren und diskrete Abstrahlrichtungen beschränkt ist, und insbesondere auch den Fall einschließen soll, dass das parallele Strahlenbündel stufenlos ausgerichtet werden kann.
-
Das strahlenoptische System 10 umfasst ferner ein erstes Prisma 20, welches einen ersten Bereich 22 einnimmt, einen zweiten Bereich 24, ein zweites Prisma 26, welches einen dritten Bereich 28 einnimmt, und einen vierten Bereich 30. Der erste Bereich 22 wird von dem zweiten Bereich 24 durch eine erste ebene Grenzfläche 32 abgegrenzt. Der zweite Bereich 24 wird von dem dritten Bereich 28 durch eine zweite ebene Grenzfläche 34 abgegrenzt. Der dritte ebene Bereich 28 wird von dem vierten Bereich 30 durch eine dritte ebene Grenzfläche 36 abgegrenzt.
-
In einer weiteren Ausführungsform können jedoch, wie in 3 gezeigt, das erste Prisma 22 und/oder das zweite Prisma 28 als Fresnel-Prisma ausgeführt sein, wobei die Grenzflächen 32' und 36' nicht als ebene Grenzflächen 32–38 ausgebildet sind, sondern der Kontur des jeweiligen Fresnel-Prismas folgen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform können das erste Prisma 22 und/oder das zweite Prisma 28 als geblazte Transmissionsgitter 44 ausgeführt sein, wobei die entsprechenden Grenzflächen 46 nicht als ebene Grenzflächen ausgebildet sind, sondern der Kontur des jeweiligen geblazten Transmissionsgitters 44 teilweise folgen, wie in 5 gezeigt.
-
Das erste Prisma 20 und das zweite Prisma 26 weisen jeweils einen größeren Brechungsindex auf, als ihre Umgebung, so dass das parallele Strahlenbündel beim Übertritt vom ersten Bereich 22 in den zweiten Bereich 24 und vom dritten Bereich 28 in den vierten Bereich 30 von der Normalen (hier angedeutet durch die gestrichelten Linien) der ebenen Grenzflächen 32, 36 weg gebrochen wird. Insbesondere können das erste Prisma 20 und das zweite Prisma 26 einen gleichen Brechungsindex aufweisen, wobei anzumerken ist, dass das erfindungsgemäße strahlenoptische System nicht auf Prismen mit gleichen Brechungsindizes beschränkt ist.
-
Das parallele Strahlenbündel tritt ausgehend von der Lichtquelle 12 durch eine vierte ebene Grenzfläche 38, welche den ersten Bereich 22 gegenüber der Lichtquelle 12 abgrenzt, in den ersten Bereich 22 ein. Die vierte Grenzfläche 38 ist dabei so ausgerichtet, dass das parallele Strahlenbündel, wenn es in der vierten Abstrahlrichtung 18 ausgesendet wird, rechtwinklig auf die vierte ebene Grenzfläche 38 trifft. Die erste ebene Grenzfläche 32 ist relativ zur vierten ebenen Grenzfläche 38 so verkippt, dass das parallele Strahlenbündel, wenn es in der zweiten Abstrahlrichtung 16 abgestrahlt wird, an der ersten ebenen Grenzfläche 32 eine überproportional stärkere Brechung weg von der Normalen auf die erste Grenzfläche 32 erfährt, im Vergleich dazu, wenn das parallele Strahlenbündel in der ersten Abstrahlrichtung 14 abgestrahlt wird.
-
Das parallele Strahlenbündel tritt dann von dem zweiten Bereich 24 durch die zweite ebene Grenzfläche 34, welche den zweiten Bereich 24 gegenüber dem dritten Bereich 28 abgrenzt, in den dritten Bereich 28 ein. Die zweite ebene Grenzfläche 34 ist dabei so ausgerichtet, dass das parallele Strahlenbündel, wenn es in der vierten Abstrahlrichtung 18 ausgesendet wird, rechtwinklig auf die zweite ebene Grenzfläche 34 trifft. Die dritte ebene Grenzfläche 38 ist relativ zur zweiten ebenen Grenzfläche 34 so verkippt, dass das parallele Strahlenbündel, wenn es in der ersten Abstrahlrichtung 14 abgestrahlt wird, eine überproportional stärkere Brechung weg von der Normalen auf die dritte Grenzfläche 36 erfährt, verglichen damit, wenn das parallele Strahlenbündel in der zweiten Abstrahlrichtung 16 abgestrahlt wird.
-
Durch die Brechung an der dritten ebenen Grenzfläche 36 wird somit die nichtlineare Aufweitung der Abstrahlrichtungen 14, 16, 18, welche aus der Brechung des parallelen Strahlenbündels an der ersten ebenen Grenzfläche 32 entstanden ist, linearisiert.
-
Obwohl im vorliegenden Ausführungsbeispiel das parallele Strahlenbündel, wenn es in der vierten Abstrahlrichtung ausgesendet wird, rechtwinklig auf die zweite ebene Grenzfläche 34 und die vierte ebene Grenzfläche 38 trifft, versteht es sich, dass auch ein Auftreffen unter einem anderen Winkel möglich ist, beispielsweise ein Winkel unter 15°, 30° oder auch 45° solange der nichtlineare Bereich der Brechung an der ersten und dritten ebenen Grenzfläche nicht erreicht wird.
-
2 zeigt eine schematische Längsschnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen strahlenoptischen Systems 10'. Das strahlenoptische System 10' entspricht im Wesentlichen dem strahlenoptischen System 10, wobei beim strahlenoptischen System 10' zur Erhöhung der Linearität der Aufweitung, der von dem parallelen Strahlenbündel in den Abstrahlrichtungen überstrichene Anteil des zweiten Bereichs 24 minimiert wurde. Somit treffen sich die erste ebene Grenzfläche 32 und die zweite ebene Grenzfläche 34 an einem Rand des von dem parallelen Strahlenbündel in den Abstrahlrichtungen überstrichenen Anteils des zweiten Bereichs 24. Ferner ist der erste Bereich 22 und der dritte Bereich 28 einstückig ausgebildet, um das System 10' noch kompakter und robuster auszuführen.
-
4 zeigt eine schematische Längsschnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen strahlenoptischen Systems 10'''. Das strahlenoptische System 10''' umfasst die Lichtquelle 12 und zwei geblazte Reflexionsgitter 40, 42. Das von der Lichtquelle 12 ausgesandte parallele Strahlenbündel wird von dem ersten geblazten Reflexionsgitter 40 an einer Grenzfläche 32'', welche der Kontur des ersten geblazten Reflexionsgitters 40 folgt, auf das zweite geblazte Reflexionsgitter 42 (durch Beugung) abgelenkt. Das von dem ersten geblazten Reflexionsgitter 40 abgelenkte parallele Strahlenbündel wird von dem zweiten geblazten Reflexionsgitter 42 an einer Grenzfläche 36'', welche der Kontur des zweiten geblazten Reflexionsgitters 42 folgt, (ebenfalls durch Beugung) abgelenkt. Die Längsachse des zweiten geblazten Reflexionsgitters 42, ist relativ zur Längsachse des ersten geblazten Reflexionsgitters 40 um einen vorbestimmten Winkel verkippt, beispielsweise so, dass die Längsachse des zweiten geblazten Reflexionsgitters 42 und das parallele Strahlenbündel, ausgesandt in der vierten Abstrahlrichtung 18, d. h. rechtwinklig zur Längsachse des ersten geblazten Reflexionsgitters 42, einen rechten Winkel einschließen.
-
Die Grenzflächen 32'' und 36'' sind relativ zueinander und zur Lichtquelle 12 so angeordnet, dass das parallele Strahlenbündel, wenn es in der zweiten Abstrahlrichtung 16 (analog 1) abgestrahlt wird, an der Grenzfläche 32'' eine überproportional stärkere Beugung weg von der Normalen auf die Grenzfläche 32'' erfährt, als wenn das parallele Strahlenbündel in der ersten Abstrahlrichtung 14 (analog 1) abgestrahlt wird und, dass das parallele Strahlenbündel, wenn es in der ersten Abstrahlrichtung 14 (analog 1) abgestrahlt wird, eine überproportional stärkere Beugung weg von der Normalen auf die Grenzfläche 36'' erfährt, verglichen damit, wenn das parallele Strahlenbündel in der zweiten Abstrahlrichtung 16 (analog 1) abgestrahlt wird.
-
Durch die Beugung an der Grenzfläche 36'' wird somit die nichtlineare Aufweitung der Abstrahlrichtungen 14, 16, 18, welche durch die Beugung des parallelen Strahlenbündels an der Grenzfläche 32'' entstanden ist, linearisiert.
-
Um das strahlenoptische System 10 10', 10'' oder 10''' um eine weitere Dimension zu ergänzen, kann zum Beispiel eine zu den Bereichen 22, 24, 28 bzw. den Reflexionsgittern 40, 42 und allgemein den verwendeten optischen Elementen identische Anordnung um einen entsprechenden Winkel, bspw. 90°, um die vierte Abstrahlrichtung 18 gedreht, (hinsichtlich des Strahlenganges) nach den Bereichen 22, 24, 28 bzw. den Reflexionsgittern 40, 42 und allgemein nach den verwendeten optischen Elementen hinzufügt werden.
-
Zudem versteht es sich für den Fachmann, dass anstatt dem ersten Prisma 20 und dem zweiten Prisma 26 oder der einstückigen optischen Komponente des strahlenoptischen Systems 10' oder der Reflexionsgitter 40, 42 Komponenten verwendet werden können, welche sowohl in einer ersten Ausrichtung als auch um einen entsprechenden Winkel, bspw. 90°, um die vierte Abstrahlrichtung 18 gedreht, einen gleichen Längsschnitt aufweisen.
-
Ferner versteht es sich, dass, obwohl die Erfindung am Beispiel von (geblazten) Prismenpaaren und geblazten Reflexionsgittern beschrieben wurde, auch andere optische (Bau-)Elemente, deren Strahlablenkung trigonometrischen Gleichungen folgt, ebenfalls für den Einsatz zur Winkelspreizung geeignet sind, wie beispielsweise Transmissionsgitter, Reflexionsgitter, geblazte Gitter, sowie allgemein jegliche Art von refraktiven oder diffraktiven optischen Elementen deren Strahlablenkung trigonometrischen Gleichungen folgt.
-
Ferner versteht es sich, dass ein der Anordnung nachgeschaltetes Teleskop, welches so angeordnet ist, dass der Strahldurchmesser verkleinert wird, zu einer weiteren Spreizung des Ablenkwinkelbereichs des parallelen Strahlenbündels führen kann. Je nach Anwendungsziel kann das Teleskop für eine Spreizung in einer Dimension mit Zylinderoptiken, ansonsten mit sphärischen Optiken aufgebaut sein.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Strahlenoptisches System
- 10'
- Strahlenoptisches System
- 10''
- Strahlenoptisches System
- 10'''
- Strahlenoptisches System
- 12
- Lichtquelle
- 14
- Erste Abstrahlrichtung
- 16
- Zweite Abstrahlrichtung
- 18
- Dritte und vierte Abstrahlrichtung
- 20
- (Fresnel-)Prisma
- 22
- Erster Bereich
- 24
- Zweiter Bereich
- 26
- (Fresnel-)Prisma
- 28
- Dritter Bereich
- 30
- Vierter Bereich
- 32
- (Erste) ebene Grenzfläche
- 32'
- Grenzfläche
- 32''
- Grenzfläche
- 34
- Zweite ebene Grenzfläche
- 36
- (Dritte) ebene Grenzfläche
- 36'
- Grenzfläche
- 36''
- Grenzfläche
- 38
- Vierte ebene Grenzfläche
- 40
- Reflexionsgitter
- 42
- Reflexionsgitter
- 44
- Diffraktives Transmissionsgitter in der Ausführungsform „geblaztes Transmissionsgitter”
- 46
- Grenzfläche
