DE19524936C1 - Vorrichtung zur Darstellung einer rotationssymmetrischen, gaußförmigen Intensitätsverteilung im Strahlenquerschnitt eines Strahlenbündels - Google Patents

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.