DE102015122266B4

DE102015122266B4 - Projektionssystem zur Erzeugung räumlich modulierter Laserstrahlung

Info

Publication number: DE102015122266B4
Application number: DE102015122266.3A
Authority: DE
Inventors: Mojmir Havlik; Thomas Beyer
Original assignee: Sypro Optics GmbH
Current assignee: Jabil Optics Germany GmbH
Priority date: 2015-12-18
Filing date: 2015-12-18
Publication date: 2018-05-03
Anticipated expiration: 2035-12-19
Also published as: DE102015122266A1; US10126557B2; US20170176757A1

Abstract

Projektionssystem (200) zur Erzeugung räumlich modulierter Laserstrahlung umfassend:
- eine optische Anordnung (100) zur Transformation von Laserstrahlung;
- eine Feldlinse (110);
- einen räumlichen Lichtmodulator (120); und
- eine Projektionsanordnung (130); dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anordnung (100) entlang einer ersten Richtung (E) einfallende Laserstrahlung an einer asphärisch gekrümmten, reflektierenden Oberfläche (22) entlang einer zweiten Richtung (R) reflektiert, wobei die Laserstrahlung in einer Ebene senkrecht zur ersten Richtung (E) ein inhomogenes Strahlprofil (G1, G2) mit einer ersten Strahlungsachse (A) und einer senkrecht dazu stehenden zweiten Strahlungsachse (B) aufweist, und die asphärische Krümmung dazu ausgebildet ist, bei der Reflexion an der reflektierenden Oberfläche (22) das inhomogene Strahlprofil der Laserstrahlung jeweils für die erste Strahlungsachse (A) und/oder für die zweite Strahlungsachse (B) in ein homogenes top-hat Strahlprofil (H) zu transformieren.

Description

Die Erfindung betrifft ein Projektionssystem zur Erzeugung räumlich modulierter Laserstrahlung. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Projektionssystem zur Erzeugung räumlich modulierter Laserstrahlung mit einer optischen Anordnung zur Transformation der Strahlung eines Einzelmodenlasers, wobei ein bekanntes Abstrahlprofil des Einzelmodenlasers mittels Reflexion an einer gekrümmten, reflektierenden Oberfläche in ein beliebiges anderes Strahlprofil, beispielsweise ein Rechteckstrahlprofil mit einer top-hat Intensitätsverteilung, transformiert werden kann.
Technologischer Hintergrund der Erfindung
Aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften verdrängen Laserstrahlungsquellen zunehmend klassische Lichtquellen. Laserdioden (LDs) zeichne sich gegenüber lichtemittierenden Dioden (LEDs) besonders dadurch aus, dass diese deutlich effizienter und leistungsstärker sein können. Durch eine geringe spektrale Bandbreite sowie die hohe räumliche und zeitliche Kohärenz der emittierten Strahlung können außerdem völlig neue Anwendungsfelder damit erschlossen werden. Dies ist insbesondere im Bereich der mobilen Endgeräte (Smartphones) sehr interessant, da sich darüber beispielsweise energieeffiziente Projektionssysteme oder leistungsstarke Laserscanner zur Umgebungsabtastung mit in diese Geräte integrieren lassen.
Für einige Anwendungen weisen LDs gegenüber LEDs jedoch einen entscheidenden Nachteil auf. Während es sich bei LEDs um sogenannte Flächenstrahler handelt, deren abgestrahltes Licht bereits mit einfachen Optiken kollimiert bzw. fokussiert werden kann, handelt es sich bei Laserdioden in der Regel um gaußsche Strahler, bei denen die räumliche Helligkeitsverteilung des abgestrahlten Lichtes durch eine Gauß-Verteilung beschrieben wird. In vielen Fällen ist jedoch für Ausleuchtungszwecke eine möglichst homogene Verteilung der Intensität im Strahl bevorzugt, so dass hier oftmals eine aufwendige Transformation des Strahlprofils in ein Rechteckprofil (top-hat oder flat-top) erfolgen muss. Bei Laserscannern sind hingegen oftmals scharfe Linien- oder Gitterprofile besonders bevorzugte Strahlformen.
Bei kantenemittierenden Laserdioden kommt erschwerend hinzu, dass sich das von der Diode emittierte Strahlprofil zudem auch oft in horizontaler und vertikaler Richtung (langsame und schnelle Laserachse) unterscheidet. Für eine gegenseitige Anpassung dieser beiden Achsen sind daher oftmals zusätzliche Zylinderlinsenanordnungen im Strahlengang erforderlich. Eine solche Strahlumformung bzw. -transformation kann jedoch auch bei anderen Laserstrahlungsquellen erforderlich sein. Beispielsweise können auch oberflächenemittierende Laserdioden ein stark inhomogenes Abstrahlprofil aufweisen. Dieses muss dann ebenfalls durch entsprechende Optiken gemäß den jeweiligen Anforderungen der einzelnen Anwendungen aufwendig angepasst werden.
Aus der DE 10 2004 034 966 A1 ist eine Beleuchtungsvorrichtung für ein Lichtrastermikroskop mit linienförmiger Abtastung bekannt. In der US 2007/0217740 A1 wird eine Vorrichtung zur Optimierung einer von einem Faserbündel abgestrahlten Intensitätsverteilung beschrieben. Die DE 11 2005 003 207 B4 offenbart ein optisches Beleuchtungssystem zum Erzeugen eines Lichtstrahls. In der US 2001/0010702 A1 werden ein Strahlhomogenisator und eine Vorrichtung zur Laserbestrahlung offenbart. Ein Spiegel mit konkaver Spiegeloberfläche zur Herstellung einer Intensitätsverteilung ist aus der DE 42 31 489 A1 bekannt.
In der US 7,532,651 B2 wird ein Beleuchtungssystem für optische Modulatoren beschrieben, bei dem eine Phasenplatte und eine Linse zur effizienten Ausleuchtung eines mikroelektromechanischen (MEMS) Modulatoren-Arrays durch Strahltransformation genutzt werden. Eine solche Anordnung ist jedoch nur bedingt zur Integration in preiswerte mobile Endgeräte geeignet, da hierbei mehrere optische Komponenten mit einem entsprechenden Platzbedarf möglichst passgenau miteinander kombiniert werden müssen. Bei Verwendung von Linsen in einem Beleuchtungssystem ist dabei eine Miniaturisierung der entsprechenden Baugruppe im Wesentlichen durch die Brennweiten der einzelnen Linsen limitiert. Neben der Gesamtlänge des Strahlenganges haben Linsen jedoch auch den Nachteil, dass deren Oberflächen zur Vermeidung von Streueffekten meist aufwendig entspiegelt werden müssen. Dadurch werden oftmals die spektralen Eigenschaften des optischen Systems stark limitiert, so dass deren Einsatz auf bestimmte Wellenlängenbereiche festgelegt ist. Zudem können bei einigen Anwendungen auch besondere Anforderungen an die Qualität der einzelnen Oberflächen, deren Vergütung und die aufgetragenen Beschichtungen bestehen, was sich sowohl bei den Herstellungskosten als auch im Aufbauaufwand niederschlägt. Auch Anforderungen an die Zentrizität des Strahlenganges und die Langzeitstabilität der einzelnen Baugruppe sind typische Problem bei der Integration optischer Elemente in kompakte mobile Endgeräte. Beispielsweise wird bei der Verwendung von kostengünstigen Kunststofflinsen bei einer Veränderung der Betriebstemperatur des Gerätes oftmals auch eine signifikante Variation der effektiven Brennweite der Linse beobachtet. Dies ist insbesondere darin begründet, dass die Brechzahl optischer Kunststoffmaterialien eine relativ starke Temperaturabhängigkeit aufweist und daher bereits in den für solche Geräte durchaus üblichen Temperaturbereichen schon durchaus deutlich wahrnehmbare Abbildungsfehler auftreten können.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Projektionssystem zur Erzeugung räumlich modulierter Laserstrahlung mit einer optischen Anordnung zur Transformation der Strahlung eines Einzelmodenlasers zur Verfügung zu stellen, die eines oder mehrere der geschilderten Probleme des Standes der Technik bei der Transformation von Strahlprofilen zu Ausleuchtungszwecken vermeidet oder zumindest deutlich mindert. Insbesondere soll ein Projektionssystem zur Erzeugung räumlich modulierter Laserstrahlung mit einer optischen Anordnung zur Transformation der Strahlung eines Einzelmodenlasers bereitgestellt werden, das einen besonders kompakten und robusten Aufbau bei einer minimalen Anzahl an optischen Komponenten erlaubt, wobei die optischen Eigenschaften über einen weiten Temperaturbereich stabil sein sollen und der nutzbare Wellenlängenbereich nicht durch zusätzliche Antireflexbeschichtungen eingeschränkt wird.
Zusammenfassung der Erfindung
Die genannte Aufgabe wird mit Hilfe des erfindungsgemäßen Projektionssystems nach Anspruch 1 gelöst. Die Erfindung stellt ein Projektionssystem zur Erzeugung räumlich modulierter Laserstrahlung zur Verfügung. Das Projektionssystem umfasst dabei eine optische Anordnung zur Transformation von Laserstrahlung, eine Feldlinse, einen räumlichen Lichtmodulator, und eine Projektionsanordnung. Durch die optische Anordnung wird entlang einer ersten Richtung einfallende Laserstrahlung an einer asphärisch gekrümmten, reflektierenden Oberfläche entlang einer zweiten Richtung reflektiert, wobei die Laserstrahlung in einer Ebene senkrecht zur ersten Richtung ein inhomogenes Strahlprofil mit einer ersten Strahlungsachse und einer senkrecht dazu stehenden zweiten Strahlungsachse aufweist, und die asphärische Krümmung dazu ausgebildet ist, bei der Reflexion an der reflektierenden Oberfläche das inhomogene Strahlprofil der Laserstrahlung jeweils für die erste Strahlungsachse und/oder für die zweite Strahlungsachse in ein homogenes top-hat Strahlprofil zu transformieren.
Bei Projektionssystemen kann durch die Verwendung von LDs gegenüber herkömmlichen Lichtquellen, wie z.B. konventionelle Halogenlampen oder LEDs, eine deutliche effizientere und leistungsstärkere Ausleuchtung eines räumlichen Lichtmodulators erreicht werden. Um mit LDs jedoch eine großflächige und möglichst homogene Intensitätsverteilung zu erzeugen, muss das von den LDs emittierte Strahlprofil vor der Modulation zunächst homogenisiert und in seiner Form an den räumlichen Lichtmodulator angepasst werden. Um dabei eine möglichst kompakte Bauform zu erreichen, können die jeweiligen Strahlengänge durch eine Vielzahl entsprechender Umlenkungen mittels einem oder mehrerer Spiegel räumlich gefaltet werden.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der bei einer solchen räumlichen Faltung des Strahlengangs verwendete Spiegel durch eine entsprechende asphärische Krümmung seiner reflektierenden Oberfläche mit zusätzlichen optischen Funktionalitäten versehen werden kann. Insbesondere kann der Spiegel bei der Reflexion der darauf einfallenden Strahlung auch zur Strahlumformung bzw. zur Strahltransformation genutzt werden. Dadurch sind kompakte und extrem leistungsfähige Projektionssysteme realisierbar, welche mit einer minimalen Anzahl an optischen Komponenten auf kleinstem Raum auskommen. Da zudem eine erfindungsgemäße Strahltransformation auf einer reflektierenden Oberfläche realisiert wird, kann an dieser Stelle auf eine aufwendige und kostenintensive Antireflexbeschichtung verzichtet werden. Weiterhin wird insbesondere bei Verwendung einer metallischen Reflexionsschicht (z.B. Gold oder Silber) eine hohe spektrale Bandbreite erreicht, welche nicht den üblichen Einschränkungen eines konventionellen Schichtsystems unterliegt. Die einzelnen Bauteile des Projektionssystems können zudem aus optisch und mechanisch temperaturstabilen Materialien gefertigt werden, so dass ein besonders stabiler und kostengünstiger Aufbau des Projektionssystems unter allen möglichen Einsatzbedingungen sichergestellt werden kann.
Eine asphärische Krümmung der reflektierenden Oberfläche liegt vor, wenn die Form der Oberfläche zumindest in einem Teilbereich von der allgemeinen Form einer Kugelfläche oder einer einfach-planaren Fläche abweicht. Obwohl asphärische Krümmungen bei der Herstellung optischer Komponenten nur mit einem in Vergleich zu planaren oder sphärischen Oberflächen erhöhten technischen Aufwand realisiert werden können, erlauben asphärische Krümmungen oftmals eine deutliche Steigerung der optischen Abbildungsqualität. Insbesondere kann durch eine entsprechende Auslegung der lokalen Krümmungsparameter eine gezielte Anpassung der Reflexionseigenschaften erreicht werden. Asphärische Flächenelemente können beispielsweise außeraxiale Ausschnitte von Kegelschnitten (Kreis, Ellipse, Parabel, Hyperbel) sein. Zusätzlich werden oft noch Korrekturpolynome zur Berücksichtigung von Krümmungen höherer Ordnung mit berücksichtigt. Um eine möglichst optimale Anpassung der örtlichen Krümmungsparameter an die Intensitätsverteilung der einfallenden Laserstrahlung zu ermöglichen, können auch in alle Raumrichtungen frei definierte Flächenelemente zur Oberflächenstrukturierung verwendet werden. Insbesondere ist die Verwendung von einer oder mehreren Freiformflächen bei der Auslegung der asphärischen Krümmung der reflektierenden Oberfläche besonders bevorzugt.
Die von einer kantenemittierenden LD emittierte Laserstrahlung weist typischerweise ein gaußförmiges bzw. nahezu gaußförmiges Strahlprofil mit einer inhomogenen Intensitätsverteilung bei einer deutlichen Gewichtung der Intensität auf die Mitte des Strahlquerschnitts auf. Insbesondere weist das Profil aufgrund von Beugungseffekten in einer Ebene senkrecht zur Strahlachse ein unterschiedliches Ausbreitungsverhalten entlang einer ersten Strahlungsachse und einer senkrecht dazu stehenden zweiten Strahlungsachse auf. Diese beiden Achsen werden aufgrund ihres unterschiedlichen Verbreiterungsverhaltens oft auch als schnelle und langsame Achse bezeichnet. Es gibt jedoch auch gaußförmige bzw. nahezu gaußförmige Laserstrahlung mit einem radialsymmetrischen Intensitätsverlauf. Diese kann beispielsweise von einem Festkörperlaser oder einer oberflächenemittierenden LD erzeugt worden sein.
Als inhomogen wird eine Strahlung bezüglich einer Strahlungsachse angesehen, wenn innerhalb gewisser Toleranzen entlang der jeweiligen Strahlungsachsen innerhalb des Strahldurchmessers eine deutliche Intensitätsmodulation auftritt. Eine solche Modulation kann beispielsweise durch den Intensitätsverlauf eines Laserstrahls mit einem gaußförmigen Intensitätsprofil oder durch eine räumlich inhomogene Intensitätsverteilung eines Multimodenlasers gegeben sein. Als homogen bezüglich einer Strahlungsachse wird hingegen eine Strahlung angesehen, bei der diese Modulation verschwindend gering bzw. nicht sehr ausgeprägt ist. Ein Beispiel für eine homogene Intensitätsverteilung ist ein flaches top-hat Strahlprofil, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass innerhalb des Strahldurchmessers eine im Wesentlichen einheitliche Intensitätsverteilung vorliegt und das Strahlprofil durch einen nahezu sprunghaften Intensitätsanstieg bzw. -abfall im äußeren Bereich des Strahlprofils gekennzeichnet ist.
In der Lasertechnik wird der Strahldurchmesser typischerweise über einen prozentualen Leistungseinschluss definiert. Bei Gaußstrahlen und rotationssymmetrisch gaußähnlichen Leistungsdichteverteilungen wird der Strahldurchmesser dabei meist über einem Leistungseinschluss von 86.5%, bei top-hat ähnlichen Leistungsdichteverteilungen über einen Leistungseinschluss von 95%, festgelegt. Daher ist eine besonderes bevorzugte top-hat ähnliche Leistungsdichteverteilung insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Strahldurchmesser in etwa dem Abstand der beiden Intensitätsflanken des Strahlprofils in der zugehörigen Strahlungsachse entspricht.
Bei dem erfindungsgemäßen Projektionssystem kann eine durch Transformation aus inhomogener Strahlung erzeugte homogene Strahlung mit einem top-hat Strahlprofil zur Ausleuchtung eines räumlichen Lichtmodulators genutzt werden. Hierbei kann es sich beispielsweise um reflektierende oder transmittierende Modulatoren auf Basis eines MEMS oder LCD handeln. Es ist dabei besonders bevorzugt, wenn die Ausleuchtung und Abbildung des räumlich modulierten Lichtfeldes durch ein gemeinsames optisches Bauteil in Form einer Feldlinse erfolgt. Werden dabei der räumliche Lichtmodulator und die Feldlinse direkt hintereinander angeordnet, so kann hierüber zur weiteren Vereinfachung und Kompaktifizierung des Projektionssystems eine zusätzliche Faltung des Strahlenganges erfolgen. Der räumlich modulierte Ausgangsstrahl kann anschließend einer entsprechenden Projektionsanordnung zugeführt werden. Bei einer solchen Projektionsanordnung kann es sich insbesondere um ein an das Lichtfeld angepasstes Linsen- bzw. Objektivsystem oder auch um eine einzelne Linse handeln. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Projektionsanordnung kann es sich auch um eine entsprechend angepasste Prismenanordnung zur weiteren Strahlumlenkung in eine beliebig angeordnete zusätzliche räumliche Achse handeln. Insbesondere kann es sich bei dem erfindungsgemäßen Projektionssystem im Wesentlichen um einen sequentiellen, hauptsächlich in einer Ebene befindlichen, optischen Aufbau handeln, bei dem durch eine Prismenanordnung eine räumliche Verkippung bzw. Verdrehung des aus dem Projektionssystem austretenden Lichtfeldes realisiert wird.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst das erfindungsgemäße Projektionssystem eine optische Anordnung zur Transformation von Laserstrahlung. Die optische Anordnung umfasst eine Laserstrahlungsquelle, die Laserstrahlung entlang einer Laserachse emittiert, wobei die Laserstrahlung in einer Ebene senkrecht zur Laserachse ein inhomogenes Strahlprofil mit einer ersten Strahlungsachse und einer senkrecht dazu stehenden zweiten Strahlungsachse aufweist; und eine reflektierende Oberfläche, auf welche die Laserstrahlung entlang einer ersten Richtung gerichtet ist. Die reflektierende Oberfläche ist dabei derart asphärisch gekrümmt, dass die Laserstrahlung entlang einer zweiten Richtung reflektiert wird und die asphärische Krümmung ist dazu ausgebildet, bei der Reflexion an der reflektierenden Oberfläche das inhomogene Strahlprofil der Laserstrahlung jeweils für die erste Strahlungsachse und/oder für die zweite Strahlungsachse in ein homogenes top-hat Strahlprofil zu transformieren.
Die optische Anordnung zur Transformation von Laserstrahlung wird in einem erfindungsgemäßen Projektionssystem nach Anspruch 1 eingesetzt. Es umfasst eine geeignete Laserstrahlungsquelle, beispielsweise kann eine kantenemittierende LD verwendet werden, und eine entsprechend an die jeweiligen Abstrahlungseigenschaften der Laserstrahlungsquelle angepasste asphärisch gekrümmte, reflektierende Oberfläche mit genau bestimmten und über die lokale Krümmung mittels Asphärenparametern festgelegten Eigenschaften zur Strahltransformation von einem inhomogenen in ein homogenes top-hat Strahlprofil. Der Schwerpunkt liegt hierbei jedoch nicht unbedingt auf einer gleichmäßigen und großflächigen Ausleuchtung einer bestimmten Zielstruktur, sondern vielmehr in dem dabei zugrundeliegenden Transformationsverhalten der Strahlung. Insbesondere können hierbei auch homogene Linienprofile mit stark voneinander abweichenden Strahldurchmessern in den beiden Strahlungsachsen, Strahlen mit unterschiedlichen Ausbreitungseigenschaften in den beiden Strahlungsachsen, Strahlverzerrungen durch unterschiedlichen Ausbreitungsrichtungen, sowie beliebige Kombinationen aus dieser Gruppe erzeugt werden.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass nach der Reflexion an der reflektierenden Oberfläche innerhalb des Strahldurchmessers des homogenen top-hat Strahlprofils das Verhältnis zwischen minimaler und maximaler Intensität jeweils für die erste Strahlungsachse A und für die zweite Strahlungsachse B mindestens 0.8 beträgt. Das bedeutet, dass entlang einer festgelegten Strahlungsachse innerhalb eines durch den jeweiligen Strahlradius gegebenen linienförmigen Strahlungsbereichs eine Intensitätsmodulation unterhalb von 20% der maximal in diesem Bereich auftretenden Spitzenintensität liegt.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Laserstrahlungsquelle einen Einzelmodenlaser umfasst, und die emittierte Laserstrahlung für die erste Strahlungsachse eine minimale Divergenz und für die zweite Strahlungsachse eine maximale Divergenz aufweist oder die Divergenz für beide Strahlungsachsen gleich ist. Im Prinzip wird dadurch die räumliche Lage der beiden Achsen, auf die sich die Ausgestaltung der jeweiligen asphärischen Krümmungen in diesen Achsen bezieht, festgelegt. Insbesondere kann es sich bei den beiden Divergenzen um die jeweilige Divergenz der schnellen und der langsamen Achse einer kantenemittierenden LD bzw. um die radialsymmetrische Divergenz einer radialsymmetrisch abstrahlenden oberflächenemittierenden LD handeln.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die reflektierende Oberfläche bi-asphärisch gekrümmt ist, wobei die erste asphärische Krümmung der ersten Strahlungsachse und die zweite asphärische Krümmung der zweiten Strahlungsachse zugeordnet sind. Dies bedeutet, dass es sich bei der asphärischen Krümmung der reflektierende Oberfläche um eine Krümmung handelt, welche jeweils parallel zur Richtung der ersten Strahlungsachse und zur Richtung der zweiten Strahlungsachse ein einheitliches Krümmungsverhalten aufweist. Die Krümmung kann also entlang der ersten und zweiten Strahlungsachse durch zwei voneinander unabhängige, d.h. nicht miteinander gekoppelte, eindimensionale Asphärengleichungen vollständig beschrieben werden.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass nach der Reflexion der Strahlung an der reflektierenden Oberfläche die Abweichung zwischen der Divergenz der ersten Strahlungsachse und der zweiten Strahlungsachse unter 1 % beträgt. Bei dieser Ausführungsform kann erfindungsgemäß eine Angleichung der beiden Ausbreitungsparameter dieser Strahlungsachsen, beispielsweise bei der Divergenz bezüglich einer schnellen und einer langsamen Achse einer Laserstrahlungsquelle erfolgen. Insbesondere kann bei dieser Ausführungsform eine nahezu verzerrungsfreie Ausleuchtung eines Bereiches weitgehend unabhängig von der zurückgelegten optischen Wegestrecke erreicht werden.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die reflektierende Oberfläche mindestens eine Freiformfläche umfasst. Dies entspricht im Wesentlichen der allgemeinen Definition einer Asphäre ohne eine mögliche funktionale Beschränkung auf bestimmte Arten von Kegelschnitten oder Korrekturfaktoren höher Ordnung.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Laserstrahlungsquelle entlang der ersten Strahlungsachse ein erstes gaußförmiges oder annähernd gaußförmiges Strahlprofil und entlang der zweiten Strahlungsachse ein zweites gaußförmiges oder annähernd gaußförmiges Strahlprofil aufweist. Insbesondere kann die Laserstrahlung in den beiden Strahlungsachsen unterschiedliche M²-Werte aufweisen. Möglich sind auch gaußförmige Strahlprofile höherer Ordnung in einer Achse oder in beiden Achsen. Als annähernd gaußförmig werden dabei alle Profile angesehen, welche eine ungefähre Glockenform aufweisen. Insbesondere werden dabei auch Lorentz-, Voigt- und Pseudo-Voigt-Profile als annähernd gaußförmig bzw. als durch eine Gaußfunktion approximierbar angenommen.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die von der Strahlungsquelle emittierte Strahlung ein ellipsenförmiges Strahlprofil aufweist und die von der reflektierenden Oberfläche reflektierte Strahlung ein rechteckförmiges oder davon abweichendes Strahlprofil aufweist. Einem ellipsenförmigen Strahlprofil können die erste und zweite Strahlungsachse als Hauptachsen zugeordnet werden. Dadurch wird zwar die Form des Strahlprofils, nicht jedoch die darin enthaltene Intensitätsverteilung festgelegt. Diese kann mithin durch eine beliebige Verteilungsfunktion beschrieben sein. Insbesondere kann auch ein Gauß-, Lorentz-, Voigt- oder Pseudo-Voigt-Profil oder eine lediglich hinreichend inhomogene Strahlung mit beispielsweise einem gering ausgeprägtem flat-top-Profil vorliegen. Durch entsprechende Strahltransformation wird ein solches Ausgangsprofil durch Reflexion an der asphärisch gekrümmten Oberfläche in ein erfindungsgemäßes homogenes top-hat Strahlprofil transformiert. Die äußere Form des Strahlprofils nimmt dabei vorzugsweise die Form eines Rechtecks, insbesondere die eines Quadrates, an. Weitere bevorzugte Strahlprofilformen sind ein kreisförmiges oder linienförmiges Strahlprofil. Abweichende Strahlprofile können auch ellipsenförmige Strahlprofile mit anderen Ellipsenparametern sein. Auch eine Beibehaltung des ursprünglichen ellipsenförmigen Strahlprofils ist möglich. Eine weitere bevorzugte Variante ist die Erzeugung eines Freiform-Strahlprofils mit beliebiger Randkontur.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die von der reflektierenden Oberfläche in die zweite Richtung reflektierte Strahlung für jede Strahlungsachse unabhängig voneinander entweder kollimiert, fokussiert oder zerstreut wird. Durch diese Ausgestaltung können zu den bereits genannten Strahlformungseigenschaften der Erfindung noch zusätzliche optische Funktionalitäten bei der Reflexion an der reflektierenden Oberfläche realisiert werden. Insbesondere kann die Funktion einer entsprechenden Optik zur Kollimation, Fokussierung oder Zerstreuung von Laserstrahlung direkt in die erfindungsgemäße optische Anordnung mit implementiert werden.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Figurenliste
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

1a eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Projektionssystems in Aufsicht;
1b Darstellungen eines berechneten Strahlenverlaufs bei einem erfindungsgemäßen Projektionssystem in Seitenansicht und in Aufsicht;
2 eine schematische Darstellung eines fokussierenden Strahlenganges bei einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung zur Transformation von Laserstrahlung in Aufsicht;
3 eine schematische Darstellung eines fokussierenden Strahlenganges bei einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung zur Transformation von Laserstrahlung in Seitenansicht;
4 eine schematische Darstellung eines kollimierenden Strahlenganges bei einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung zur Transformation von Laserstrahlung in Aufsicht;
5 eine schematische Darstellung eines zerstreuenden Strahlenganges bei einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung zur Transformation von Laserstrahlung in Aufsicht; und
6 eine Konstruktionszeichnung eines Spiegels einer besonders bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Projektionssystems; und
7a, 7b homogene top-hat Strahlprofile nach Transformation mit einer besonders bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung
1a zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Projektionssystems 200 in Aufsicht. Das Projektionssystem 200 umfasst eine erfindungsgemäße Ausführungsform einer optischen Anordnung 100 zur Transformation von Laserstrahlung. Dabei wird die von einer Laserstrahlungsquelle 10 emittierte Laserstrahlung, wobei das Strahlprofil und die darin vorliegende Intensitätsverteilung ein inhomogenes Strahlprofil entsprechend der Beschreibung aufweist, durch Reflexion an einem Spiegel 20 mit einer reflektierenden Oberfläche 22 und einer an die Strahleigenschaften der Laserstrahlungsquelle 10 angepassten erfindungsgemäßen asphärischen Krümmung derart transformiert, dass ein erfindungsgemäßes homogenes top-hat Strahlprofil H vorliegt. Weiterhin gezeigt sind eine Feldlinse 110 vor einem räumlichen Lichtmodulator 120, welche mittels eines zusätzlichen Deckglases 122 fest mit einem Baugruppenträger 124 zu einer sowohl mechanisch als auch optisch stabilen und robusten Baugruppe verbunden sein können. Durch die Feldlinse 110 wird der auf den räumlichen Lichtmodulator 120 einfallende Strahl fokussiert. Über die Feldlinse 110 erfolgt gleichzeitig eine Abbildung des räumlich modulierten Lichtfeldes auf eine Projektionsanordnung 130, welche zur Auskopplung des modulierten Lichtfeldes aus dem Projektionssystem 200 dient. Die eingezeichneten schematischen Strahlenverläufe geben einen Eindruck von der Faltung der strahlenoptischen Wegstrecke, welche ein besonders kompaktes Design des Projektionssystems 200 ermöglicht. Einer weiteren Verkürzung der optischen Wegstrecken sind insbesondere durch die Emissionseigenschaften typischerweise verwendeter Laserstrahlungsquellen 10 und die Größe der auszuleuchtenden Flächenelemente praktische Grenzen gesetzt.
1b zeigt Darstellungen eines berechneten Strahlenverlaufs bei einem erfindungsgemäßen Projektionssystem in Seitenansicht und in Aufsicht. Die Anordnung der einzelnen Komponenten entspricht hierbei im Wesentlichen der in 1a beschriebenen Ausführungsform. Daher gelten die jeweiligen Bezugszeichen entsprechend. Es handelt sich um vollständige numerische Simulationen eines solchen Projektionssystems mit den darin genannten Abmessungen. Zu erkennen ist hier insbesondere in der unteren Aufsicht, dass durch die Projektionsanordnung 130 eine Umlenkung der Hauptstrahlrichtung aus der Bildebene heraus in Richtung des Betrachters erfolgt. Eine solche Umlenkung der Hauptstrahlrichtung kann vorzugsweise über eine entsprechende Prismenanordnung als Projektionsanordnung 130 erfolgen. Alternativ können jedoch auch Spiegel- oder Linsenanordnungen als Projektionsanordnung 130 für eine Strahlungsauskopplung dienen. Eine Auskopplung kann jedoch auch in jede beliebige andere Richtung, insbesondere auch entlang der Hauptstrahlrichtung der optischen Anordnung 100 erfolgen. In der Seitenansicht wird noch einmal der kompakte Aufbau des erfindungsgemäßen Projektionssystems 200 deutlich.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines fokussierenden Strahlenganges bei einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung 100 zur Transformation von Laserstrahlung in Aufsicht. Insbesondere kann es sich hierbei um eine Aufsicht auf eine optische Anordnung 100 eines in den 1a und 1b gezeigten erfindungsgemäßen Projektionssystems 200 handeln. Zur Verdeutlichung des Strahlenverlaufs und der örtlichen Variation der Strahlparameter ist hier im Wesentlichen nur ein Spiegel 20 mit einer reflektierenden Oberfläche 22 im Anschnitt dargestellt. Weiterhin sind die Position der Laserstrahlungsquelle 10 und verschiedene Schnitte durch den optischen Strahlengang eingezeichnet. Die Richtung der Laserachse OL fällt hier gerade mit der ersten Richtung E, entlang der die reflektierende Oberfläche 22 des Spiegels 20 angestrahlt wird, zusammen. Die beiden Richtungen können sich jedoch auch voneinander unterscheiden. Eine Reflexion der einfallenden Strahlung erfolgt hier symmetrisch zu einer Spiegelachse OM in die zweite Richtung R. Dabei ist die reflektierende Oberfläche derart asphärisch, bi-asphärisch oder allgemein asphärisch gekrümmt, dass in der dargestellten Ebene die von der reflektierenden Oberfläche 20 in die zweite Richtung R reflektierte Strahlung für eine innerhalb dieser Ebene liegende erste Strahlungsachse A fokussiert wird. Erfindungsgemäß wird dabei bei der Reflexion an der reflektierenden Oberfläche 22 das inhomogene Strahlprofil G1, G2 der Laserstrahlung, hier gaußförmig bzw. annähernd gaußförmig eingezeichnet, für die erste Strahlungsachse A der Form nach beibehalten. Insbesondere kann es sich bei dem eingezeichneten Spiegel 20 um einen Spiegel 20 mit einer auf Kegelschnitten basierenden bi-asphärischen Krümmung handeln. In der gezeigten Ansicht behält der reflektierte Strahl also seine ursprüngliche Profilform bei, wird durch die Reflexion jedoch entlang der Reflexionsrichtung R fokussiert. Für die in der Abbildung dargestellte erste Strahlungsachse A kann durch Anpassung der entsprechenden Krümmungsparameter der reflektierenden Oberfläche 22 des Spiegels 20 jedoch auch eine Transformation des eingestrahlten Stahlprofils, insbesondere eines inhomogenen Strahlprofils G1, in ein homogenes top-hat Strahlprofil H mit einer entsprechenden räumlichen Verteilung der Intensität I erfolgen. Weiterhin sind auch solche Ausführungsformen bevorzugt, bei denen es zu keiner Änderung des Strahlprofils, sondern lediglich zu einer Umlenkung der einfallenden Strahlung kommt.
3 zeigt eine schematische Darstellung eines fokussierenden Strahlenganges bei einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung 100 zur Transformation von Laserstrahlung in Seitenansicht. Die Darstellung entspricht einem anderen Schnitt der in 2 beschriebenen Ausführungsform. Insbesondere kann es sich hierbei um eine Seitenansicht einer optischen Anordnung 100 eines in den 1a und 1b gezeigten erfindungsgemäßen Projektionssystems 200 handeln. Die Zuordnung der einzelnen Bezugszeichen gilt entsprechend den vorherigen Figurenbeschreibungen. Durch die Seitenansicht ist hier lediglich der Strahlenverlauf entlang der ersten Richtung E, welche auch in dieser Ansicht mit der Laserachse OL zusammenfällt, gezeigt. Da es sich bei der dargestellten Seitenansicht um einen senkrechten Schnitt durch die in 2 gezeigte Aufsicht handelt, ist der hier exemplarisch eingezeichnete Verlauf der Intensität I bezüglich der zweiten Strahlungsachse B angeben. Insbesondere zeigt sich hier im Vergleich zum in 2 dargestellten Ausgangsprofil entlang der ersten Strahlungsachse A eine deutlich breitere Verteilung des Verlaufs der als gaußförmig bzw. annähernd gaußförmig eingezeichneten Intensität I. In der dargestellten Ausführungsform wird für die zweite Strahlungsachse B das inhomogenen Strahlprofils G2, in ein homogenes top-hat Strahlprofil H mit einer entsprechenden räumlichen Verteilung der Intensität I transformiert. Zusätzlich erfolgt eine Fokussierung der Strahlung entlang der schräg in die Bildebene hineinreichenden zweiten Richtung R (nicht eingezeichnet). Für die zweiten Strahlungsachse B kann hier ebenfalls durch eine entsprechende Anpassung der Krümmungsparameter der reflektierenden Oberfläche 22 des Spiegels 20 eine beliebige andere Transformation des eingestrahlten Stahlprofils erreicht werden. Weiterhin sind Ausführungsformen bevorzugt, bei denen für die zweite Strahlungsachse B keine Änderung des Strahlprofils auftritt. Neben einer einfachen Reflexion der entlang der ersten Richtung E einfallenden Strahlung ist zudem auch eine Zerstreuung der von der reflektierenden Oberfläche 22 in die zweite Richtung R reflektierten Strahlung möglich. Bei all diesen Ausführungsformen kann außerdem eine zusätzliche Transformation des Strahlprofils für die zweite Strahlungsachse B erfolgen.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines kollimierenden Strahlenganges bei einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung 100 zur Transformation von Laserstrahlung in Aufsicht. Die Anordnung der Komponenten entspricht der in 2 gezeigten Ausführungsform. Die Zuordnung der einzelnen Bezugszeichen gilt entsprechend. Bei dieser Ausführungsform bleibt der Strahldurchmesser nach der Reflexion an der asphärisch gekrümmten reflektierenden Oberfläche 22 entlang der zweiten Richtung R weitestgehend konstant. Der reflektierte Strahl wird durch die Reflexion homogenisiert und kollimiert.
5 zeigt eine schematische Darstellung eines zerstreuenden Strahlenganges bei einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung 100 zur Transformation von Laserstrahlung in Aufsicht. Die Anordnung der Komponenten entspricht den in den 2 und 4 gezeigten Ausführungsformen. Die Zuordnung der einzelnen Bezugszeichen gilt entsprechend. Bei dieser Ausführungsform wird der Strahldurchmesser nach der Reflexion an der asphärisch gekrümmten reflektierenden Oberfläche 22 entlang der zweiten Richtung R größer. Der reflektierte Strahl wird durch die Reflexion homogenisiert und zerstreut.
6 zeigt eine Konstruktionszeichnung eines Spiegels 20 einer besonders bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Projektionssystems 200. Hierbei handelt es sich insbesondere um einen Spiegel 20, bei dem die reflektierende Oberfläche 22 in die eingezeichnete z-Richtung in der yz-Ebene eine besonders bevorzugte asphärische Krümmung der Form $z = \frac{c y^{2}}{1 + \sqrt{1 - (1 + k) c^{2} y^{2}}} + α_{1} y^{2} + + α_{2} y^{4} + + α_{3} y^{6} + α_{4} y^{8} + α_{5} y^{10} + α_{6} y^{12} + α_{7} y^{14},$
mit c = 1/r aufweist. Dabei ist r der Polradius, α sind Deformationskoeffizienten, k ein konischer Koeffizient, y die jeweilige Achsenhöhe und z die jeweilige Bogenabschnittshöhe (Sagitta). Durch die Anpassung der einzelnen Parameter an eine bestimmte Laserstrahlungsquelle 10 und ein gewünschtes homogenes top-hat Strahlprofil H kann eine entsprechende Optimierung der optischen Anordnung 100 innerhalb des Projektionssystems 200 erfolgen. Insbesondere gehört der dargestellte Spiegel 20 zu einer konkreten, besonders bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung 100 innerhalb des Projektionssystems 200. Als Laserstrahlungsquelle 10 dient eine Laserdiode im Einzelmodenbetrieb mit einer FWHM Strahldivergenz von (18 ± 3)° in der schnellen Achse und (8 ± 2)° in der langsamen Achse. Die beiden Achsen können direkt einer ersten Strahlungsachse A und einer zweite Strahlungsachse B zugeordnet werden. Der bevorzugte Arbeitsbereich der Laserdiode umfasst einen Wellenlängenbereich von (860 ± 15) nm. Der Spiegel 20 ist vorzugsweise aus AD5503 gefertigt. Bei der asphärisch gekrümmten reflektierenden Oberfläche 22 kann es sich bevorzugt um eine konische Grundform mit einer Goldbeschichtung für Reflexionsmaximum bei 860 nm handeln. Bei dieser Ausführungsform erfolgt eine Strahltransformation in ein homogenes top-hat Strahlprofil H ausschließlich in einer Strahlungsachse. In der zweiten Strahlungsachse bleibt das vorliegende Intensitätsprofil weitgehend unverändert und es erfolgt lediglich eine Fokussierung der Laserstrahlung. In der Strahlungsachse mit der top-hat Transformation wird der Spiegel 20 bevorzugt durch die in Gl. (1) genannte asphärische Krümmung mit den Asphärenkoeffizienten r = -1.434, k = -2, α₂ = 0.161, α₃ = -0.328, α₄ = 0.392, sowie α₅ = -0.228 beschrieben. In der fokussierenden Strahlungsachse liegt bevorzugt ein Krümmungsradius von r= -2.9 vor.
7a und 7b zeigen homogene top-hat Strahlprofile H nach Transformation mit einer besonders bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung 100. Insbesondere sind die transformierten homogenen top-hat Strahlprofile H jeweils entlang der zweiten Strahlungsachse B nach Reflexion an der asphärisch gekrümmten reflektierenden Oberfläche 22 des in 6 gezeigten Spiegels 20 dargestellt. Die optischen Eigenschaften der verwendeten Strahlungsquelle 10 entsprechen den in der Beschreibung zur 6 genannten Werten für die zur Bestimmung der Krümmungsparameter der reflektierenden Oberfläche 20 des Spiegels 20 festgelegten Laserdiode im Einzelmodenbetrieb. Die beiden Kurvenverläufe geben den Einfluss der Toleranz der FWHM Stahldivergenz jeweils in der schnellen Achse wieder. Während in 7a das homogene top-hat Strahlprofil H nach Transformation der am Spiegel 20 reflektierten Strahlung einer Laserdiode mit maximalem Toleranzwert (+ 3°) gezeigt ist, gibt 7b das homogene top-hat Strahlprofil H der Strahlung nach Transformation der am Spiegel 20 reflektierten Strahlung einer Laserdiode mit minimalem Toleranzwert (- 3°) wieder. Dabei liegt innerhalb des Strahldurchmessers des homogenen top-hat Strahlprofils H das Verhältnis zwischen minimaler und maximaler Intensität I nach der Reflexion an der reflektierenden Oberfläche 22 im Maximalfall bei 0.9 und im Fall des minimalen Toleranzwertes bei 0.89. Für eine entsprechende Laserdiode mit Nulltoleranz (± 0°) ist die Verteilungskurve hingegen flach und das genannte Intensitätsverhältnis liegt bei 1.0.
Bezugszeichenliste

10: Laserstrahlungsquelle
20: Spiegel
22: reflektierende Oberfläche
100: optische Anordnung
110: Feldlinse
120: räumlicher Lichtmodulator
122: Deckglas
124: Baugruppenträger
130: Projektionsanordnung
200: Projektionssystem
A: erste Strahlungsachse
B: zweite Strahlungsachse
E: erste Richtung
R: zweite Richtung
OL: Laserachse
OM: Spiegelachse
I: Intensität
G1: erstes inhomogenes Strahlprofil
G2: zweites inhomogenes Strahlprofil
H: homogenes top-hat Strahlprofil

Claims

Projektionssystem (200) zur Erzeugung räumlich modulierter Laserstrahlung umfassend: - eine optische Anordnung (100) zur Transformation von Laserstrahlung; - eine Feldlinse (110); - einen räumlichen Lichtmodulator (120); und - eine Projektionsanordnung (130); dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anordnung (100) entlang einer ersten Richtung (E) einfallende Laserstrahlung an einer asphärisch gekrümmten, reflektierenden Oberfläche (22) entlang einer zweiten Richtung (R) reflektiert, wobei die Laserstrahlung in einer Ebene senkrecht zur ersten Richtung (E) ein inhomogenes Strahlprofil (G1, G2) mit einer ersten Strahlungsachse (A) und einer senkrecht dazu stehenden zweiten Strahlungsachse (B) aufweist, und die asphärische Krümmung dazu ausgebildet ist, bei der Reflexion an der reflektierenden Oberfläche (22) das inhomogene Strahlprofil der Laserstrahlung jeweils für die erste Strahlungsachse (A) und/oder für die zweite Strahlungsachse (B) in ein homogenes top-hat Strahlprofil (H) zu transformieren.
Projektionssystem (200) nach Anspruch 1, wobei die optische Anordnung (100) zur Transformation von Laserstrahlung umfasst: eine Laserstrahlungsquelle (10), die Laserstrahlung entlang einer Laserachse (OL) emittiert, wobei die Laserstrahlung in einer Ebene senkrecht zur Laserachse (OL) das inhomogene Strahlprofil (G1, G2) mit der ersten Strahlungsachse (A) und der senkrecht dazu stehenden zweiten Strahlungsachse (B) aufweist.
Projektionssystem (200) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei nach der Reflexion an der reflektierenden Oberfläche (22) innerhalb des Strahldurchmessers des homogenen top-hat Strahlprofils (H) das Verhältnis zwischen minimaler und maximaler Intensität (I) jeweils für die erste Strahlungsachse A und für die zweite Strahlungsachse B mindestens 0.8 beträgt.
Projektionssystem (200) nach Anspruch 2, wobei die Laserstrahlungsquelle (10) einen Einzelmodenlaser umfasst, und die emittierte Laserstrahlung für die erste Strahlungsachse (A) eine minimale Divergenz und für die zweiten Strahlungsachse (B) eine maximale Divergenz aufweist oder die Divergenz für beide Strahlungsachsen gleich ist.
Projektionssystem (200) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die reflektierende Oberfläche (22) derart bi-asphärisch gekrümmt ist, dass die erste asphärische Krümmung der ersten Strahlungsachse (A) und die zweite asphärische Krümmung der zweiten Strahlungsachse (B) zugeordnet sind.
Projektionssystem (200) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei nach der Reflexion der Strahlung an der reflektierenden Oberfläche (22) die Abweichung zwischen der Divergenz der ersten Strahlungsachse (A) und der zweiten Strahlungsachse (B) unter 1% beträgt.
Projektionssystem (200) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die reflektierende Oberfläche (22) mindestens eine Freiformfläche umfasst.
Projektionssystem (200) nach einem der Ansprüche 2 oder 4, wobei die Laserstrahlungsquelle (10) entlang der ersten Strahlungsachse (A) ein erstes gaußförmiges oder annähernd gaußförmiges Strahlprofil (G1) und entlang der zweiten Strahlungsachse (B) ein zweites gaußförmiges oder annähernd gaußförmiges Strahlprofil (G2) aufweist.
Projektionssystem (200) nach einem der Ansprüche 2, 4 oder 8, wobei die von der Laserstrahlungsquelle (10) emittierte Strahlung ein ellipsenförmiges Strahlprofil aufweist und die von der reflektierenden Oberfläche (22) reflektierte Strahlung ein rechteckförmiges oder davon abweichendes Strahlprofil aufweist.
Projektionssystem (200) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die von der reflektierenden Oberfläche (22) in die zweite Richtung (R) reflektierte Strahlung für jede Strahlungsachse (A, B) entweder kollimiert, fokussiert oder zerstreut wird.