DE19524936C1 - Vorrichtung zur Darstellung einer rotationssymmetrischen, gaußförmigen Intensitätsverteilung im Strahlenquerschnitt eines Strahlenbündels - Google Patents
Vorrichtung zur Darstellung einer rotationssymmetrischen, gaußförmigen Intensitätsverteilung im Strahlenquerschnitt eines StrahlenbündelsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umwandlung eines divergenten Strahlen
bündels mit im Querschnitt elliptischsymmetrischer, von der Bündelachse nach außen
gaußförmig abfallender Intensitätsverteilung in ein Strahlenbündel mit im Querschnitt
rotationssymmetrischer, von der Bündelachse nach außen gaußförmig abfallender
Intensitätsverteilung.
In vielen Anwendungsbereichen der Vermessungstechnik wird ein Strahlenbündel mit
einer rotationssymmetrischen, gaußförmigen Intensitätsverteilung gefordert. Mit einem
kollimierten Strahlenbündel dieser Art wird die Richtung von Vortriebsmaschinen für
den Tunnel- und Bergbau oder für den Verkehrswegebau gesteuert. Ebenso werden
solche Strahlenbündel für die Bauvermessung zu Ausrichtungszwecken benötigt. So
werden beispielsweise mit Hilfe eines Strahlenbündels Rohre beim Rohr- und Pipe
linebau ausgerichtet. Bei den genannten Anwendungen wird das Strahlenbündel auf
eine Fläche projiziert, die mit den Vortriebsmaschinen bzw. den Rohren verbunden ist
und auf der die Bündelmitte des Strahlenbündels bestimmt wird. Die Fläche kann ein
CCD-Sensorarray mit angeschlossener Datenverarbeitung sein oder im einfachen Fall
eine die Strahlung streuende Fläche mit einem Fadenkreuz, auf das das Strahlen
bündel ausgerichtet und beobachtet wird. Beim Vortrieb der Geräte werden damit
Abweichungen von der Sollrichtung festgestellt und gemessen.
Die Bestimmung der Bündelmitte im Strahlenquerschnitt ist oft schwierig. Viele Strah
lungsquellen - meistens mit einem Kollimatorobjektiv zur Bündelformung ausgerüstet -
emittieren Strahlenbündel, in deren Querschnitt je nach Distanz zur Strahlungsquelle
eine verwirrende Vielfalt von unterschiedlichen Intensitätsverteilungen mit mehreren
Maxima und Minima zu finden sind. Dem Beobachter bietet sich so ein mit der Entfer
nung zur Strahlungsquelle variierendes Bild von Lichtreflexen, wobei unterschiedliche
Umgebungslichtverhältnisse zusätzlich die Bestimmung der Bündelmitte erschweren.
Ideal wäre ein Strahlenbündel mit einer rotationssymmetrischen, gaußförmigen In
tensitätsverteilung ohne Nebenmaxima aus Beugungserscheinungen. Ein solches
Strahlenbündel besäße ein eindeutiges und auch bei unterschiedlichen Umgebungs
lichtverhältnissen klar ermittelbares Intensitätsmaximum. Ein solches Gaußsches
Strahlenbündel hat die besondere Eigenschaft, daß die Intensitätsverteilung unab
hängig von der Entfernung zur Strahlungsquelle gaußförmig bleibt. Das Intensitäts
maximum liegt stets auf der Achse des Strahlenbündels. Aufgrund der Rotations
symmetrie der Intensitätsverteilung im Strahlenquerschnitt ist zudem die Genauigkeit
der Bestimmung des Bündelmittelpunkts in jeder radialen Richtung gleich und somit
unabhängig von der Orientierung des Strahlenquerschnitts.
Eine Lichtquelle, die bereits ein Strahlenbündel mit rotationssymmetrischen Gauß
profil abstrahlt, stellt der Helium-Neon-Laser dar. Deshalb findet der HeNe-Laser im
Bauwesen vielfach Verwendung. Jedoch muß für den HeNe-Laser eine hohe Be
triebsspannung bereitgestellt werden. Er hat außerdem einen hohen Energiever
brauch, ist aufgrund seines Volumens und seines Gewichts im Vergleich zu moderner
Elektronik unhandlich und ist mit hohen Kosten verbunden.
Mit dem Aufkommen von Halbleiter-Laserdioden können die genannten Nachteile
überwunden werden. Auch die Halbleiter-Laserdioden strahlen eine gaußförmige In
tensitätsverteilung ab. Jedoch ist diese Intensitätsverteilung im Strahlenquerschnitt
nicht rotationssymmetrisch. Auch der Durchmesser des Strahlenquerschnitts bleibt in
Ausbreitungsrichtung des Strahlenbündels nicht annähernd konstant, wie es beim
HeNe-Laser der Fall ist. Die Halbleiter-Laserdioden emittieren ein stark divergentes
Strahlenbündel mit elliptischem Querschnitt. Dies bedeutet zum einen, daß innerhalb
eines solchen elliptischen Bündelquerschnitts die Intensität von der Bündelachse des
Strahlenbündels zu seinem Rand hin zwar gaußförmig abfällt, aber mit unterschiedli
chen Halbwertsbreiten je nach Betrachtungslinie senkrecht durch die Bündelachse
des Strahlenbündels. Das Verhältnis der Intensitäts-Halbwertsbreiten über den beiden
Ellipsenachsen kann je nach Laserdiode zwischen 1 : 2 und 1 : 7 variieren. Zum ande
ren ist die Divergenz des Strahlenbündels relativ groß. Sie kann in der kleinen Ellip
senachse, also parallel zur Junction-Ebene eines Halbleiterkristalls, beispielsweise 8°
betragen und ist senkrecht dazu je nach genanntem Verhältnis der Ellipsenachsen
entsprechend groß.
Die Divergenz eines Strahlenbündels wird im allgemeinen mit Hilfe einer Kollima
tionsoptik so weit vermindert, daß ein annähernd paralleles Strahlenbündel entsteht.
Für die Umwandlung eines elliptischen, gaußförmigen Strahlenbündels einer Halblei
ter-Laserdiode in ein rotationssymmetrisches Strahlenbündel gibt es mehrere Mög
lichkeiten. Das Strahlenbündel wird so weit abgeblendet, daß der Intensitätsunter
schied zwischen den beiden Ellipsenachsen nicht mehr ins Gewicht fällt. Dies ist mit
einem sehr hohen Lichtverlust verbunden. Andererseits werden durch das Abblenden
Beugungserscheinungen erzeugt die den gaußförmigen Intensitätsverlauf zerstören.
Es werden unerwünschte helle und dunkle Bereiche im Strahlenquerschnitt hervorge
rufen, die sich zudem im Fernfeld anders gestalten als im Nahfeld des kollimierten
Bündels. Dadurch ergeben sich Unsicherheiten in der Bestimmung der Bündelmitte.
Eine andere Möglichkeit besteht in der Verwendung eines anamorphotischen Pris
menpaares, das als Strahlaufweiter für eine Schnittebene betrachtet werden kann.
Zwei keilförmige Prismen werden unter einem bestimmten Winkel zueinander einge
stellt und ihre Schnittebene wird parallel zur kleinen Ellipsenachse der Strahlung der
Halbleiter-Laserdiode ausgerichtet. Durch Drehen des Prismenpaares wird der
Durchmesser des Strahlenquerschnitts der kleinen Ellipsenachse so lange aufgewei
tet, bis er dem durch diese Maßnahme unbeeinflußten Strahldurchmesser der großen
Ellipsenachse entspricht. Dabei wird allerdings die Bündelachse des Strahlenbündels
seitlich versetzt. Aufgrund von Herstelltoleranzen muß für jede Halbleiter-Laserdiode
die Strahlaufweitung unterschiedlich stark eingestellt werden, wodurch auch der Ver
satz der Bündelachse für jede Laserdiode unterschiedlich stark ausfällt. Dies ist für
ein richtunggebendes Gerät von Nachteil und müßte zusätzlich korrigiert werden.
Zudem benötigen die Prismen aufgrund des großen Einfallswinkels eine hocheffizien
te Antireflexionsschicht. Und schließlich müssen enge Toleranzgrenzen in der Posi
tionierung der Prismen untereinander eingehalten werden, um die Vergrößerung der
Strahlaufweitung auf dem gewünschten Wert zu halten. Somit ist die Herstellung der
Prismen sowie der Einstell- und Haltevorrichtung aufwendig und kostenungünstig.
Auch mit zwei Zylinderlinsen kann wie mit dem anamorphotischen Prismenpaar eine
anamorphotische Abbildung erreicht werden. Im Gegensatz zum anamorphotischen
Prismenpaar bleibt hier die optische Achse erhalten, so daß das Strahlenbündel nicht
seitlich versetzt wird. In der US 3 396 344 wird vorgeschlagen, in den parallelen
Strahlengang nach dem Kollimator zwei Zylinderlinsen einzubringen, von denen eine
eine kurze Brennweite und die andere eine lange Brennweite aufweist. Es werden
Planzylinderlinsen verwendet, die allerdings eine große Länge des optischen Aufbaus
bedingen. Ein kompakter Aufbau ist durch die Verwendung von optischen Komponen
ten möglich, die auf beiden Seiten zylindrisch geformt sind. Jedoch sind diese äußerst
schwer herzustellen und sind dementsprechend teuer.
Der Einsatz von Zylinderlinsen oder anamorphotischen Prismenpaaren zur Erzeugung
eines rotationssymmetrischen Strahls bei Laserdioden ist auch in "LASER
FOCUS/ELECTRO-OPTICS", March 1984, Seiten 44-55 von David Kuntz, "Specifying
Laser Diode Optics", mit den bereits genannten Ausführungen und Problemen be
schrieben.
In der WO 90/13054 werden zwei Elemente mit zylindrischer Brechkraft zur Änderung
der Form des Strahlenquerschnitts von Lichtbündeln, die insbesondere von Laserdi
oden emittiert werden, offenbart, deren Zylinderachsen einen Winkel einschließen, für
den nur ein eingeschränkter Bereich gilt, und für deren Brennweiten ebenfalls ein ein
geschränkter Bereich gilt und die ein afokales System bilden. Durch den einstellbaren
Abstand der Zylinderlinsen in Richtung der optischen Achse wird der Astigmatismus
der Laserdiode ausgeglichen. Da beugungsbegrenzte Objektive verwendet werden,
sind die im Punktbild feststellbaren, verbleibenden Abbildungsfehler durch Beugungs
erscheinungen bedingt. Dies ist in der zu der genannten WO-Schrift korrespondieren
den Veröffentlichung "Diodenlaser" von Jakob Bleicher, Werner Kröninger und Alex
andra Geiger in der Zeitschrift F+M (Feinwerktechnik, Mikrotechnik und Meßtechnik)
103 (1995) 1-2, S. 60-62 in den Abb. 3, 4 und 7 zu sehen. Die Intensitätsvertei
lung im Punktbild ist durch Beugungsringe um das Hauptmaximum deutlich gekenn
zeichnet. Dadurch ist die Intensitätsverteilung nicht mehr gaußförmig über den gesam
ten Strahlenquerschnitt.
Eine Möglichkeit, eine rotationssymmetrische und zugleich gaußförmige Intensitäts
verteilung zu erzeugen, besteht darin, die Strahlung der Halbleiter-Laserdiode in eine
Monomodefaser einzukoppeln. Eine solche Lichtleitfaser leitet nur den Grundmodus
des Lichts weiter. Deswegen muß ihr Kerndurchmesser sehr gering sein. Er beträgt
für Monomodefasern für den sichtbaren Bereich des Lichts nur wenige um, z. B. 4,6 µm
für die Monomodefaser SK 9660 der Firma Schäfter und Kirchhoff, Hamburg. Am
Faserende tritt das eingekoppelte Licht divergent aus. Die Intensitätsverteilung quer
zur Ausbreitungsrichtung ist rotationssymmetrisch und gaußförmig. Allerdings ist auf
grund des geringen Kerndurchmessers einer solchen Faser die Einkopplung der La
serdiodenstrahlung schwierig. Zur Verbesserung des Einkoppelwirkungsgrades wer
den deshalb zusätzlich anamorphotisch abbildende Elemente eingesetzt. Nachteilig
ist bei der Einkopplung des Laserdiodenlichts in diesen geringen Faserdurchmesser
auch die hohe Temperatur- und Schwingungsempfindlichkeit. Eine mechanische
Schockeinwirkung kann den Justierungszustand der Einkoppelung leicht verstellen.
Durch den teueren, komplizierten und empfindlichen inneren Aufbau ist ein solches
Gerät für harte Beanspruchungen im Feld weniger geeignet.
Schließlich wird in der US 5 090 798 ein Gerät zur Steuerung der Intensitätsverteilung
eines Laserstrahlenbündels für eine Hornhautbehandlung des Auges beschrieben.
Ein leistungsfähiger Excimer-Pulslaser beleuchtet eine Platte mit einer spaltförmigen
Öffnung, deren Öffnungsweite quer zur Strahlrichtung örtlich variiert. Eine Zylinder
linse, deren Zylinderachse parallel zu der spaltförmigen Öffnung verläuft, fokussiert
das Laserlicht in eine Linie, wodurch die Lichtintensität auf der Linie entsprechend der
Öffnungsweite variiert. Unterschiedliche Öffnungsformen dienen der Anpassung der
Lichtintensität an die individuelle Stärke der Hornhaut des Auges. Mit einer weiteren
Öffnungsplatte, einer Toruslinse und einem Array von Zylinderlinsen kann auch eine
zweidimensionale Intensitätsverteilung erzeugt werden.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrich
tung anzugeben, mit der eine rotationssymmetrische, gaußförmige Intensitätsvertei
lung aus einem Strahlenbündel mit elliptischem Querschnitt und gaußförmiger Intensi
tätsverteilung erzeugt werden kann, und zwar ohne Auftreten störender Beugungser
scheinungen, mit größter Richtungs- und Formstabilität des Strahlenbündels in seiner
Ausbreitungsrichtung bei Temperaturänderungen oder nach mechanischen Vibrati
ons- und Schockbeanspruchungen, mit geringen Abmessungen und einfachem Auf
bau, der kostengünstig erfolgen kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Transmissionsfilter mit
spiegelsymmetrischer, nach außen gaußförmig abnehmender Transmission im diver
genten Strahlenbündel angeordnet ist und daß die Spiegelachse des Transmissions
filters in Überdeckung mit der kleinen Ellipsenachse des Strahlenbündels ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung sind durch die
Merkmale der Unteransprüche gekennzeichnet.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung nutzt ein Strahlenbündel mit im Querschnitt ellip
tischsymmetrischer Intensitätsverteilung. Die Symmetrie des Strahlenquerschnitts wird
durch die Ellipsenachsen festgelegt. Die Intensitätsverteilung ist spiegelsymmetrisch
zu den beiden Ellipsenachsen. Außerdem soll die Intensität von der Bündelachse
ausgehend gaußförmig abnehmen. Eine derartige Intensitätsverteilung zeigen bei
spielsweise Halbleiter-Laserdioden, deren Strahlenbündel zudem divergent ist.
In einem solchen Strahlenbündel wird das Transmissionsfilter mit spiegelsymmetri
scher, nach außen gaußförmig abnehmender Transmission angeordnet. Die Spie
gelachse des Transmissionsfilters wird normalerweise so ausgerichtet, daß sie in
Überdeckung mit der kleinen Ellipsenachse der Strahlungsverteilung im Strahlenquer
schnitt ist. Das Transmissionsfilter wird im allgemeinen so lange in der Richtung der
Bündelachse verschoben, bis die gewünschte rotationssymmetrische Intensitätsvertei
lung erzeugt ist. Bei diesem so eingestellten Abstand des Transmissionsfilters zur
Halbleiter-Laserdiode ist am Ort des Transmissionsfilters die Halbwertsbreite der ma
thematischen Funktion, die sich aus dem Produkt der Intensitätsverteilung auf der
großen Ellipsenachse des Strahlenbündels mit dem Transmissionsverlauf des
Transmissionsfilters ergibt, gleich der Halbwertsbreite der Intensitätsverteilung auf der
kleinen Ellipsenachse des Strahlenbündels.
Eine Möglichkeit, den beschriebenen Transmissionsverlauf des Transmissionsfilters
zu realisieren, besteht darin, absorbierende Materialien zu verwenden. Als solche
können beispielsweise fotografische Materialien verwendet werden oder es kann eine
Metallschicht auf einer Trägerplatte aufgedampft werden. Die Trägerplatte selbst ist
für die verwendete Strahlung transparent. Die Dicke der Metallschicht ist spiegelsym
metrisch verteilt und nimmt mit zunehmendem Abstand zur Spiegelachse derart zu,
daß die Transmission der Strahlung gaußförmig abnimmt. Dadurch wird das elliptisch
symmetrische Strahlenbündel in die gewünschte rotationssymmetrische, nach außen
gaußförmig abfallende Intensitätsverteilung umgewandelt. Die anschließende Paral
lelausrichtung des divergenten Strahlenbündels erfolgt üblicherweise mit einem Kol
limatorobjektiv.
Eine andere Realisierungsmöglichkeit für das Transmissionsfilter besteht in der Ver
wendung eines diffraktiven Filters. Anstelle von strahlungsabsorbierenden Eigen
schaften werden beugende Eigenschaften ausgenutzt. Beispielsweise kann das dif
fraktive Filter durch ein Beugungsgitter realisiert sein, wobei das ungebeugt durch das
Gitter gehende Licht eine gaußförmige Intensitätsverteilung erhält. Das gebeugte
Licht wird ausgeblendet. Die transmittierte Strahlung zeigt somit im Strahlenquer
schnitt einen spiegelsymmetrischen, nach außen gaußförmig abfallenden Intensitäts
verlauf bei einem einfallenden Strahlenbündel mit homogener Intensitätsverteilung.
Weist das einfallende Strahlenbündel eine im Querschnitt elliptischsymmetrische,
gaußförmige Intensitätsverteilung auf, dann wird diese durch das diffraktive Filter bei
geeigneter Ausrichtung in eine rotationssymmetrische, gaußförmige Intensitätsvertei
lung umgewandelt.
Der gaußförmige Transmissionsverlauf des Transmissionsfilters hat zudem noch eine
besondere Wirkung. Es ist aus der Optik allgemein bekannt, daß die Begrenzung ei
ner in ein optisches System einfallenden Strahlung durch die Eintrittspupille, die durch
Haltevorrichtungen für die optischen Bauteile oder durch eine Blende gegeben ist,
Beugungserscheinungen erzeugt. Es ist auch bekannt, daß durch Verringerung der
Intensität zu der Begrenzung der Eintrittspupille hin die Beugungserscheinungen re
duziert und bei geeignetem Intensitätsverlauf sogar eliminiert werden können. Fällt die
Pupillenfunktion ausreichend gaußförmig zu den Begrenzungen ab, so ergibt sich
eine Punktbildfunktion, die zwar etwas verbreitert, dafür aber ohne beugungsbedingte
Nebenmaxima ist. Die Punktbildfunktion ist dann ebenfalls gaußförmig, da sie ja durch
Fouriertransformation aus der Pupillenfunktion entsteht. Die Eliminierung von Beu
gungserscheinungen, also die Eliminierung von beugungsbedingten Nebenmaxima im
Punktbild durch Anpassen der Pupillenfunktion in der Eintrittspupille wird Apodisation
genannt und entsprechend wirkende Filter heißen demgemäß Apodisationsfilter.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung wirkt aufgrund ihres Transmissionsverlaufs eben
falls apodisierend. Sie wird allerdings nicht in der Eintrittspupille einer Optik, z. B. der
Kollimatoroptik, angeordnet. Vielmehr wird sie im divergenten Strahlengang der
Strahlungsquelle - oder gegebenenfalls auch in einem konvergenten Strahlengang -
angeordnet. Die Spiegelachse des spiegelsymmetrischen Transmissionsverlaufs wird
wie bereits beschrieben zu der kleinen Ellipsenachse der Intensitätsverteilung im
Strahlenquerschnitt in Überdeckung gebracht und die Halbwertsbreite des Transmis
sionsverlaufs der Halbwertsbreite des Intensitätsverlaufs der Strahlung entlang der
kleinen Ellipsenachse angepaßt. Mit dieser Anordnung und diesem Transmissionsver
lauf wird nicht nur die Rotationssymmetrie der Intensitätsverteilung im Strahlenquer
schnitt erzeugt sondern es werden gleichzeitig auch Beugungsringe um das Intensi
tätsmaximum eliminiert. Somit werden störende Beugungsringe oder in der Praxis
auftretende Teile von Beugungsringen vermieden. Deshalb ist das Zentrum des
Strahlenquerschnitts auch bei äußerem Streulicht für einen Beobachter schnell, klar
und in eindeutiger Weise erkennbar. Dasselbe gilt auch für die Aufnahme des Strah
lenbündels mit elektronischen Mitteln, so daß alle Forderungen an die Eigenschaften
des Strahlenbündels für die eingangs genannten Anwendungen erfüllt werden.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung nä
her erläutert. Es zeigen:
Fig. 1a schematisch Linien konstanter Transmission der erfindungsgemäßen Vor
richtung im Querschnitt eines elliptischen Strahlenbündels,
Fig. 1b den gaußförmigen Verlauf der Transmission der Vorrichtung korrespondie
rend zu Fig. 1a,
Fig. 1c schematische Darstellung eines Transmissionsfilters mit absorbierenden
Materialien ortsabhängiger unterschiedlicher Dicke,
Fig. 1d schematische Darstellung eines Transmissionsfilters als Amplitudengitter,
Fig. 1e schematische Darstellung eines Transmissionsfilters als Phasengitter,
Fig. 2a die Transmission des Erfindungsgegenstandes in 3-dimensionaler Darstel
lung,
Fig. 2b die Intensitätsverteilung der Emission einer Halbleiter-Laserdiode,
Fig. 2c die Intensitätsverteilung aus der Kombination der Gegenstände von Fig. 2a
und Fig. 2b,
Fig. 3 schematische Darstellung der Anordnung des Erfindungsgegenstands im
Strahlengang.
In Fig. 1a ist eine Ausführungsform eines Transmissionsfilters 1 mit absorbierenden
Materialien schematisch dargestellt. Es werden Linien L jeweils konstanter Transmis
sion und ihre Ausrichtung im Querschnitt eines elliptischen Strahlenbündels gezeigt.
Das elliptische Strahlenbündel ist im Querschnitt durch die Ellipsen E₁, E₂, E₃ mit je
weils konstanter Strahlungsintensität gekennzeichnet. Die Intensität ist im Schnitt
punkt der kleinen Ellipsenachse a mit der großen Ellipsenachse b, also auf der Bünde
lachse 2 maximal. Die Intensität fällt von der Bündelachse 2 nach außen gaußförmig
ab. Im x-y-Koordinatensystem ist die kleine Ellipsenachse a zur y-Achse und die gro
ße Ellipsenachse b zur x-Achse parallel ausgerichtet.
Die absorbieren den Materialien des Transmissionsfilters 1 absorbieren und reflektie
ren die Strahlung mit zunehmendem Abstand zur kleinen Ellipsenachse a stärker.
Dies soll in Fig. 1a durch die Liniendichte der Linien L₁, L₂, L₃, L₄, L₅, L₆, L₇, L₈ mit je
weils konstanter Transmission schematisch dargestellt werden. Die Linien konstanter
Transmission verlaufen parallel zur kleinen Ellipsenachse a. Die Verdichtung der Lini
en L₁ bis L₈ bei größerem Abstand zur kleinen Ellipsenachse a bedeutet eine abneh
mende Transmission der Strahlung. Dabei nimmt die Transmission kontinuierlich und
gemäß einer Gaußfunktion ab. Auf der Spiegelachse 3 ist die Transmission maximal.
Die Spiegelachse 3 des spiegelsymmetrischen Transmissionsverlaufs des Transmis
sionsfilters 1 überdeckt sich mit der kleinen Ellipsenachse a der Strahlenverteilung.
In Fig. 1b ist korrespondierend mit Fig. 1a die gaußförmige Transmission des Trans
missionsfilters 1 in Abhängigkeit des Ortes x dargestellt. Hw ist die Halbwertsbreite
der Transmissionskurve.
Es können alle absorbierenden Materialien eingesetzt werden, mit denen der gefor
derte Transmissionsverlauf für die verwendete Strahlung erzeugt werden kann. Hier
für gibt es unterschiedliche Materialien und Verfahren. Beispielsweise können gemäß
Fig. 1c Trägerplatten 1a, die für die gewünschte Strahlung transparent sind, mit Metall
1b bedampft werden. Dabei wird die Bedampfung so gesteuert, daß von der Spiege
lachse 3 ausgehend eine kontinuierlich anwachsende Schichtdicke erzeugt wird. Die
Zunahme der Schichtdicke erfolgt derart, daß ein kontinuierlicher, gaußförmiger
Transmissionsverlauf gewährleistet ist. Da die Schichtdickenverteilung spiegelsymme
trisch zur Spiegelachse 3 ist, ist es ebenso der Transmissionsverlauf der bedampften
Trägerplatte 1a.
Es kann bei Verwendung bestimmter absorbierender Materialien vorkommen, daß
auftretende Phasendifferenzen aufgrund der unterschiedlichen Materialdicken störend
wirken. Für diesen Fall kann entweder eine zusätzlich aufgebrachte transmissive
Schicht 1c mit entsprechend ortsabhängiger Dicke oder eine von vornherein mit ent
sprechendem Dickenverlauf angepaßte Trägerplatte 1a die Phasendifferenzen aus
gleichen.
Es können aber auch fotografische oder optische Materialien, wie z. B. fotografische
Filme oder Graufilter, verwendet werden. Bei diesen ist es sogar möglich, aufgrund
chemisch-physikalischer Eigenschaften örtlich unterschiedliche Transmissionen bei
konstanter Materialdicke (Filmdicke) zu erzeugen und dabei die gewünschte Trans
missionskurve darzustellen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Transmissionsfilter 1 ist
ein diffraktives Filter. Dieses kann beispielsweise durch ein Beugungsgitter mit kleiner
Gitterkonstante (ca. 1 µm) realisiert sein, bei dem der Füllfaktor der Periode von der
Mitte zum Rand derart variiert, daß das ungebeugt durch das Gitter gehende Licht
eine gaußförmige Intensitätsverteilung erhält. Das in die erste Beugungsordnung und
in höhere Beugungsordnungen abgebeugte Licht wird im Gehäuse des Kollimators
ausgeblendet und vom gaußförmigen Bündel abgetrennt.
Das Beugungsgitter kann als Amplitudengitter oder Phasengitter ausgebildet sein.
In Fig. 1d ist ein Amplitudengitter im Querschnitt schematisch dargestellt mit abwech
selnd lichtdurchlässigen Bereichen 20 und lichtundurchlässigen Bereichen 21. Der
Füllfaktor der Periode ist das Verhältnis aus der Größe des lichtdurchlässigen Be
reichs 20 zu der Summengröße von lichtdurchlässigem Bereich 20 und lichtundurch
lässigem Bereich 21 innerhalb einer Periode. Dieser Füllfaktor der Periode nimmt von
1 in der Symmetrieachse 3 bis auf weniger als 0,01 am Rand des Beugungsgitters ab.
In Fig. 1e ist ein Phasengitter im Querschnitt schematisch dargestellt mit eingetieften
Bereichen 30, die sich mit Bereichen 31 der ursprüngliche Oberfläche abwechseln.
Die unterschiedlichen optischen Wege aufgrund des unterschiedlichen Brechungsin
dexes in den Bereichen 30 und 31 bewirken eine Phasenverschiebung benachbarter
Lichtstrahlen. Bei einem Phasengitter mit einem Phasenhub von π vermindert sich der
Füllfaktor der Periode von 1 in der Symmetrie-Achse 3 auf 0,5 am Rand des Pha
sengitters.
Die Wirkung derartiger diffraktiver Filter oder der oben beschriebenen absorbierenden
und reflektierenden Materialien auf die Transmission eines einfallenden Strahlenbün
dels ist in der Figurenabfolge der Fig. 2 zu sehen. Die Darstellung in Fig. 2a ist gegen
über der in Fig. 1b um eine Dimension erweitert. Es ist die Transmission des Trans
missionsfilters 1 in Abhängigkeit des Ortes (x,y) aufgetragen. In x-Richtung ist der
gaußförmige Transmissionsverlauf für alle y-Werte gleich. Die Linien gleicher Trans
mission sind zur y-Achse parallel. In Fig. 2b ist die Intensitätsverteilung im Fernfeld der
Strahlung einer Halbleiter-Laserdiode 5 dargestellt. Sie ist beispielhaft für eine gauß
förmige, elliptische Intensitätsverteilung. Die kleine Ellipsenachse a liegt parallel zur y-
Achse. Fällt ein Strahlenbündel mit einer solchen Intensitätsverteilung mit der darge
stellten Orientierung im x-y-Koordinatensystem auf das Transmissionsfilter 1 mit der in
Fig. 2a dargestellten Transmission und überdeckt sich die kleine Ellipsenachse a mit
der Spiegelachse 3, so wird bei geeignetem Abstand zwischen dem Transmissionsfil
ter 1 und der Halbleiter-Laserdiode 5 eine rotationssymmetrische, gaußförmige
Strahlungsverteilung erzeugt. Dies ist in Fig. 2c dargestellt. Damit ist die ursprünglich
elliptischsymmetrische, von der Bündelachse nach außen gaußförmig abfallende In
tensitätsverteilung des Strahlenbündels in eine rotationssymmetrische, von der Bün
delachse 2 nach außen gaußförmig abfallende Intensitätsverteilung umgewandelt
worden.
Aufgrund der Wirkung des Transmissionsfilters 1 geht ein nicht unerheblicher Teil der
Strahlung verloren, wie bei einem Vergleich von Fig. 2b mit Fig. 2c erkennbar ist.
Jedoch ist die Strahlungsleistung heutiger Halbleiter-Laserdioden 5 so groß, daß der
Strahlungsverlust durch das Transmissionsfilter 1 keine entscheidende Rolle spielt. Die
Strahlungsleistung muß im allgemeinen ohnehin noch auf die zulässigen Grenzwerte
nach den gesetzlichen Vorschriften über die Verwendung von Laserstrahlung redu
ziert werden.
Die meisten Strahlungsquellen emittieren ein divergentes Strahlenbündel. Insbeson
dere zeigen auch Halbleiter-Laserdioden 5 eine Strahlendivergenz, wie sie mit dem
Strahlenbündel 6 in Fig. 3 schematisch dargestellt ist. Aufgrund dieser Divergenz ver
ändert sich die Halbwertsbreite der Intensitätsverteilung im Strahlenquerschnitt mit der
Entfernung zur Halbleiter-Laserdiode 5. Deshalb ist bei einem solchen Strahlenbündel
6 und bei einem vorgegebenen Transmissionsfilter 1 aufgrund ihrer Halbwertsbreiten
der Ort festgelegt an dem das Transmissionsfilter 1 in den Strahlengang eingebracht
werden muß. Dieser Ort variiert individuell für jede Halbleiter-Laserdiode 5, denn die
Strahlendivergenz von Halbleiter-Laserdioden 5 ist aufgrund ihres Herstellprozesses
nicht konstant. Deswegen ist es sinnvoll, daß das Transmissionsfilter 1 oder die
Halbleiter-Laserdiode 5 in der Richtung der Bündelachse 2 verstellbar ist. Natürlich
kann deren Einbauort auch von vornherein festgelegt werden, wobei dann allerdings
jeweils die Halbwertsbreite des Transmissionsfilters 1 an die Strahlungscharakteristik
der Halbleiter-Laserdiode 5 angepaßt werden muß. Eine solche Abstimmung muß im
Falle eines bereits parallel ausgerichteten, elliptischen Strahlenbündels ebenfalls er
folgen. Das Transmissionsfilter 1 kann zudem um die Bündelachse 2 drehbar sein,
damit seine Spiegelachse 3 zu der kleinen Ellipsenachse a des Strahlenbündels 6
auch nach dem Einbau noch ausgerichtet werden kann. Nach dem Durchgang der
Strahlung durch das Transmissionsfilter 1 wird das rotationssymmetrische, gaußför
mige, aber noch divergente Strahlenbündel 7 durch ein Kollimatorobjektiv 10 zu ei
nem annähernd parallelen Strahlenbündel 8 geformt.
Das Transmissionsfilter 1 ist robust aufgebaut, denn die absorbierende Beschichtung
haftet fest auf ihrer Trägerplatte und bei einem diffraktiven Filter sind die beugenden
Strukturen in die Trägerplatte eingebracht, beispielsweise eingeätzt. Somit sind so
wohl Temperaturänderungen als auch mechanische Vibrationen und Schockbean
spruchungen ohne Einfluß auf die strahlformenden Eigenschaften des Transmissi
onsfilters 1. Es besitzt geringe Abmessungen in ähnlicher Größenordnung wie das
Gehäuse der Halbleiter-Laserdiode 5, denn es wird in das divergente Laserstrahlen
bündel 6 eingebracht und nicht in die Eintrittspupille des Kollimatorobjektivs 10 mit
seinem erheblich größeren Durchmesser. Somit muß bei der Herstellung auch nur
eine kleine Fläche präzise bearbeitet werden, was erheblich einfacher und auch ko
stengünstiger ist.
Claims (6)
1. Vorrichtung zur Umwandlung eines divergenten Strahlenbündels (6) mit im Quer
schnitt elliptischsymmetrischer, von der Bündelachse (2) nach außen gaußförmig
abfallender Intensitätsverteilung in ein Strahlenbündel (7) mit im Querschnitt rotati
onssymmetrischer, von der Bündelachse (2) nach außen gaußförmig abfallender
Intensitätsverteilung, dadurch gekennzeichnet, daß ein Transmissionsfilter (1) mit
spiegelsymmetrischer, nach außen gaußförmig abnehmender Transmission im di
vergenten Strahlenbündel (6) angeordnet ist und daß die Spiegelachse (3) des
Transmissionsfilters (1) in Überdeckung mit der kleinen Ellipsenachse (a) des
Strahlenbündels (6) ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Transmissions
filter (1) im divergenten Strahlenbündel (6) in der Richtung der Bündelachse (2)
verstellbar ist.
3. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
das Transmissionsfilter (1) im divergenten Strahlenbündel (6) um die Bündelachse
(2) drehbar ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
zur Erzeugung des gaußförmigen Transmissionsverlaufs des Transmissionsfilters
(1) absorbierende Materialien vorgesehen sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Transmissions
filter (1) eine Beschichtung (1c) mit ortsabhängiger Dicke zum Ausgleich von Pha
sendifferenzen enthält.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur
Erzeugung des gaußförmigen Transmissionsverlaufs des Transmissionsfilters (1)
ein diffraktives Filter vorgesehen ist.
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