DE19722561C2 - Optische Anordnung zur Abbildung von Objekten oder Strahlquellen und Verwendungen einer solchen optischen Anordnung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Anordnung zum Erzeugen unterschiedli­ cher optischer Wege von Strahlquellen auf Bildebenen und/oder Objektebenen sowie Verwendungen einer solchen optischen Anordnung.

Optische Anordnungen zur Abbildung von Objekten in einer Bildebene werden für sehr unterschiedliche Zwecke und in unterschiedlichen Arbeitsbereichen eingesetzt. Einer dieser Bereiche ist der Einsatz in Verbindung mit Diodenlaseranordnungen, um deren Strahlung zu formen und zu führen.

Moderne Hochleistungs-Diodenlaser mit barren- bzw. linienförmiger Geometrie besitzen typischerweise eine emittierende Zone mit einer Höhe von etwa 1 µm in der Fast-Rich­ tung (senkrecht zu der Ebene der aktiven Zone bzw. des pn-Übergangs) und eine Breite von etwa 1 cm in der Slow-Richtung (in der Ebene der aktiven Zone). Die Strahlqualität ist in der Fast-Richtung beugungsbegrenzt und in der Slow-Richtung um den Faktor un­ gefähr 2000 geringer. Die Strahlung eines Hochleistungslasers ist daher mit konventio­ nellen Optiken, wie zylindrischen oder sphärischen Linsen, nicht auf einen kreisförmigen Fokus abzubilden, was für viele Anwendungen, wie eine Faserübertragung oder das Endpumpen von Festkörperlasern, von entscheidender Bedeutung ist.

Gerade in Bezug auf die Strahlung von Diodenlaseranordnungen sind Techniken zur Transformation und Homogenisierung der Strahlqualität in beiden Richtungen bekannt, so daß bei Angleichung der jeweiligen Strahlqualität in den beiden Richtungen aneinan­ der ein etwa kreisförmiger Fokus ermöglicht wird.

Gemäß einer Technik, wie sie in der DE-C2 44 38 368 beschrieben ist, werden zwei treppenförmig angeordnete Spiegel verwendet. Dabei wird die zunächst mit einer Zylin­ derlinse in der Fast-Richtung kollimierte Strahlung der Diodenlaser nach der ersten Re­ flexion an einem ersten Treppenspiegel in Teilstrahlen gruppiert (vergleiche Fig. 5A der beigefügten Zeichnungen), die so lateral gegeneinander verschoben werden, daß sie auf einer Diagonalen liegen (vergleiche Fig. 5b der beigefügten Zeichnungen). Nach der Reflexion der einzelnen Teilstrahlen an einem zweiten treppenförmig angeord­ neten Spiegel werden die Teilstrahlen dann so lateral gegeneinander verschoben, daß sie in der Fast-Richtung in Bezug auf die Diodenlaser übereinander angeordnet sind (siehe hierzu Fig. 5C der beigefügten Zeichnungen). Mit einer solchen Anordnung kann die Strahlqualität von Hochleistungs-Diodenlasern homogenisiert und die Strah­ lung in einen etwa kreisförmigen Fleck fokussiert werden.

Bedingt durch die in den vorstehend angegebenen Transformationstechniken verwende­ ten optischen Anordnungen entstehen Unterschiede zwischen den Propagationsabstän­ den von verschiedenen Teilstrahlen. Wird das transformierte Strahlungsfeld dann mit ei­ ner Linse abgebildet, so ist es nicht möglich, daß alle Teilstrahlen gleichzeitig in einer Ebene scharf abgebildet werden. Dadurch entsteht ein Abbildungsfehler, der den er­ reichbaren Fokusdurchmesser vergrößert. Das Verhältnis des erreichbaren Fokusdurch­ messer zu einem minimalen, erreichbaren Fokusdurchmesser (entsprechend dem Fall, wo kein Unterschied zwischen Propagationsabständen zwischen verschiedenen Teil­ strahlen existiert) beträgt 1,3, betrachtet man eine Anordnung, wie sie aus der DE-C2 44 38 368 bekannt ist.

Es sind verschiedene Anwendungsbereiche denkbar, bei denen die vorstehend ange­ sprochene Problematik der unterschiedlichen Propagationsabstände einen nachteiligen Einfluß auf die Schärfe eines in einer Ebene abgebildeten Strahlungsfelds haben.

Ausgehend von dem vorstehend angegebenen Stand der Technik und der geschilder­ ten Problematik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, mittels einer ge­ eigneten Anordnung unterschiedliche Propagationswege oder Abstände von Strahlquel­ len (Punkten) auf Bildebenen und/oder Objektebenen auszugleichen, so daß in den ver­ schiedenen Fällen eine scharfe Abbildung eines Strahlungsfelds in einer Bildebene oder von Bildern in einer Objektebene ermöglicht wird.

Die optische Anordnung zum Erzeugen unterschiedlicher optischer Wege von Strahl­ quellen (Punkten) auf Bildebenen und/oder Objektebenen gemäß der Erfindung ist da­ durch gekennzeichnet, daß zur Änderung der relativen Orientierung der Bildebenen und/oder Objektebenen zur optischen Achse in dem Strahlengang mindestens ein Pris­ ma angeordnet ist.

Das Prisma wird gemäß der Erfindung dazu eingesetzt, unterschiedliche, optische Pro­ pagationswege auszugleichen, oder für den umgekehrten Fall, zu erzeugen und somit eine Drehung bzw. Verkippung der Bildebene oder Objektebene zu bewirken. Eine sol­ che Maßnahme läßt sich vorteilhaft für verschiedene Einsatzgebiete verwenden. In ei­ nem Fall wird eine solche Anordnung zur Abbildung reeller und/oder virtueller Strahl­ quellen, deren Strahlschwerpunkte jeweils in unterschiedlichen, zueinander parallelen Ebenen liegen, die so versetzt sind, daß die Strahlschwerpunkte im wesentlichen auf ei­ ner Ebene positioniert sind, die schräg zu der optischen Achse steht, in eine Bildebene, die im wesentlichen senkrecht zur optischen Achse steht, eingesetzt. Eine solche An­ ordnung ist beispielsweise durch treppenstufenartig angeordnete (reelle) Diodenlaser­ strahlquellen (reelle Strahlquellen), beispielsweise in Form von Diodenlasern, gegeben, oder aber bei einer Anordnung in Form von treppenstufenartig angeordneten Spiegeln (virtuelle Strahlquellen), die versetzt zueinander angeordnet sind, mit einer Positionie­ rung dieser Versetzungslinie schräg zu der optischen Achse.

In einer weiteren, bevorzugten Verwendung der optischen Anordnung, wie sie vorste­ hend angegeben ist, werden reelle und/oder virtuelle Strahlquellen, deren Strahlschwer­ punkte in einer Ebene liegen, die im wesentlichen senkrecht zur optischen Achse steht, auf unterschiedliche, axial zueinander versetzte Bildebenen abgebildet. Unter dieser Anwendung wird die Orientierung der Strahlquellen (reelle und/oder virtuelle Strahlquel­ len), die zunächst in einer Ebene liegen, die senkrecht zu der optischen Achse ausge­ richtet ist, gekippt oder gedreht bzw. versetzt, und somit werden unterschiedliche Propa­ gationswege hervorgerufen, was zu einer Orientierung der Schwerpunkte der einzelnen Strahlabbildungen in der Bildebene, legt man durch diese Schwerpunkte eine Linie, schräg zu der optischen Achse führt.

Es können Situationen entstehen, in denen es erforderlich ist, eine Objektebene, bei­ spielsweise eine Materialbearbeitungszone, z. B. Key-Hole, einer Laserstrahl-Bearbei­ tungsanordnung, die schräg zu einer optischen Achse einer Abbildungsanordnung ver­ läuft, in eine Bildebene umzuorientieren, die senkrecht zu der optischen Achse steht. Für diesen Fall ist die optische Anordnung gemäß der Erfindung zur Änderung der rela­ tiven Orientierung der Objektebene in Bezug auf die Bildebene bzw. die optische Achse vorgesehen, so daß eine Objektebene, die schräg zur optischen Achse steht, verzer­ rungsfrei in allen Bildebenenbereichen beobachtbar ist.

Schließlich kann die erfindungsgemäße optische Anordnung vorteilhaft zur Abbildung einer im wesentlichen senkrecht zur optischen Achse stehenden Objektebene in eine schräg zur optischen Achse stehenden Bildebene verwendet werden.

Die Vorteile der Erfindung, wie sie sich aus der erfindungsgemäßen, optischen Anord­ nung sowie deren Verwendung, wie dies vorstehend angegeben ist, ergeben, werden anhand der nachfolgenden Beschreibung verschiedener Ausführungsbeispiele in Ver­ bindung mit der Zeichnung beschrieben werden. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1A eine optische Anordnung in einer Draufsicht, bei der die Schwerpunkte der Diodenlaserstrahlung in Bezug auf die optische Achse umorientiert werden,

Fig. 1B eine Ansicht auf die Anordnung der Fig. 1A aus Richtung des Sichtpfeils IB in Fig. 1A,

Fig. 2 eine prinzipielle Darstellung der Lage der Bildebene und der Objektebene, in Verbindung mit der Anordnung, die in den Fig. 1A und 1B dargestellt ist,

Fig. 3 eine Anordnung, die dazu eingesetzt wird, um ein Objekt, beispielsweise ein Strahlungsfeld, in einer Bildebene abzubilden, die schief zur optischen Achse steht,

Fig. 4 eine Anordnung, wie sie in den Fig. 1A und 3 dargestellt ist, zur Erläu­ terung der geometrischen Verhältnisse, die dazu verwendet wird, die Dre­ hung einer Objektebene relativ zu einer Bildebene in allgemeiner Form zu bestimmen, und

Fig. 5A bis 5C schematische Darstellungen von einer Anordnung nach dem Stand der Technik unter Verwendung von Treppenspiegeln, die gemäß einer Verfahrensweise nach dem Stand der Technik dazu eingesetzt werden, die von Hochleistungs-Diodenlaserbarren abgegebene Strahlung zu transfor­ mieren und zu homogenisieren.

Zur Verdeutlichung der Prinzipien der Erfindung wird zunächst der Fall betrachtet, bei dem die kollimierte Strahlung eines Diodenlaserbarrens mittels Treppenspiegel grup­ piert und transformiert wird. In diesem Fall schneidet der erste Treppenspiegel die Slow- Richtung der Strahlung (in Fig. 5A angegeben) in einzelne Bereiche, die von den je­ weiligen Stufen um 90° von der Strahlachse weg reflektiert werden (vergleiche Fig. 5A und 5B). Jede einzelne Treppenstufe besitzt unterschiedliche Abstände zu dem La­ serdiodenbarren, der nicht näher dargestellt ist. Zur Vereinfachung werden alle Teil­ strahlen so betrachtet, als würden sie von den jeweiligen Treppenstufen, quasi als virtu­ elle Strahlquellen, ausgehen. Vorzugsweise wird der zweite Treppenspiegel (siehe Fig. 5B) so dimensioniert und angeordnet, daß jede Treppenstufe einem Teilstrahl zuge­ ordnet wird. Die Teilstrahlen werden dann von den jeweiligen Treppenstufen umgelenkt und derart verschoben, daß sie übereinanderliegen, wie dies in Fig. 5C gezeigt ist. Be­ trachtet man nun den Gesamtstrahl in der Ebene senkrecht zu der optischen Achse, stellt man fest, daß die jeweiligen Teilstrahlen (in den Fig. 5A bis 5C sind 7 Teil­ strahlen dargestellt) unterschiedliche Objektabstände zur Betrachtungsebene aufweisen. Daher ist es nicht möglich, ein optisches System mit Linsen, wie sphärischen und zylindrischen Linsen, so auszulegen, daß alle Teilstrahlen auf einer Bildebene senkrecht zur optischen Achse scharf abgebildet werden können. Für die Anwendung zur Transformation der Diodenlaserstrahlung bedeutet ein solcher Abbildungsfehler ei­ ne Vergrößerung des erreichbaren Fokusdurchmessers.

Um dieses Problem zu lösen, d. h. die unterschiedlichen Objektabstände auszugleichen bzw. die einzelnen Objektabstände aneinander anzupassen, wird eine optische Anord­ nung unter Verwendung von mindestens einem Prisma eingesetzt, wie sie in Form eines Beispiels in den Fig. 1A und 1B dargestellt ist. Zur Vereinfachung fallen in der Dar­ stellung der Fig. 1A zwei Teilstrahlen von dem zweiten Treppenspiegel, wie er in Fig. 5B dargestellt ist, reflektiert, mit einem Strahlungsfeld entsprechend Fig. 5C, in die Eintrittsseite eines dreieckigen Prismas derart ein, daß die Fast-Richtung der Teilstrah­ len parallel zur gemeinsamen Einfallsebene von Eintritt und Austritt steht. Da alle Teil­ strahlen in der Fast-Richtung kollimiert sind, werden die Teilstrahlen in dieser Ebene nach dem Austritt aus dem Prisma gebrochen und die Höhe der Teilstrahlen wird gleich­ mäßig reduziert, wie dies anhand der Fig. 1A zu sehen ist. In der Slow-Richtung besit­ zen die Teilstrahlen einen Divergenzwinkel von etwa 14°, wie dies anhand der Fig. 1B zu sehen ist. Wie weiterhin angedeutet ist, sind die Teilstrahlen unterschiedlich von dem Prisma entfernt, wobei die Teilstrahlen 1 und 2 durch unterschiedliche Höhen des Prismas laufen. Nach Austritt aus dem Prisma entstehen virtuelle Teilstrahlen, die durch die Objektpositionen 1' und 2' angedeutet sind. Hierbei ist zu erkennen, daß die unter­ schiedlichen Objektabstände der virtuellen Teilstrahlen nach Propagation durch das Prisma und durch Brechung an der Austrittsfläche des Prismas kleiner geworden sind. Unter geeigneter Auslegung des Prismas kann der Unterschied eliminiert werden, so daß die virtuellen Quellen der Teilstrahlen gleiche Abstände zur Ebene senkrecht zur optischen Achse aufweisen. Damit können alle Teilstrahlen in einer Bildebene scharf abgebildet werden.

Um das vorstehend angegebene Beispiel zu verallgemeinern, bedeuten die unterschied­ lichen Abstände der Teilobjekte, d. h. der Teilstrahlen, für ein kontinuierliches Objekt ei­ ne verkippte Objektebene, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. In analoger Weise kann die verkippte Objektebene mit dem Prisma in der Weise verdreht werden, daß eine virtuelle Objektebene entsteht, die senkrecht zur optischen Achse steht. Das auf diese Weise er­ reichte Objekt kann dann weiter mit konventionellen Linsen in einer Bildebene scharf abgebildet werden.

Gemäß den vorstehenden Beispielen wurden unterschiedliche Objektabstände ausge­ glichen. Es sind aber auch Fälle möglich, bei denen ein Objekt in eine Bildebene, die schief zur optischen Achse steht, abgebildet werden soll. Eine beispielhafte, schemati­ sche Ausführung ist in Fig. 3 gezeigt. Bei dieser optischen Anordnung wird wiederum ein Prisma verwendet. Durch das Durchlaufen des Strahlungsfelds durch das Prisma und das Brechen an der Austrittskante des Prismas entsteht ein virtuelles Objekt, des­ sen Ebene schief zur optischen Achse steht. Dies bedeutet eine Verdrehung der Objek­ tebene nach dem Prisma, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist.

Die Drehung der Objektebene läßt sich annähern durch die nachfolgende Betrachtung. Angenommen wird als Beispiel ein Prisma mit den Winkeln γ, 90°, 90° - γ. Es ergibt sich für den Bildversatz:

Daher ergibt sich für den Drehungswinkel der Objektebene:

Falls der Drehungswinkel nicht ausreichend groß für die Anpassung an die jeweilige Ebene ist, können mehrere Prismen hintereinander verwendet werden. Durch die Dre­ hung der Objektebenen können Weglängenunterschiede ausgeglichen werden.

Neben der Drehung der Objektebene kommt es durch das Prisma zu einer Verkleine­ rung des Objektes, was mit folgender Formel beschrieben wird:

mit δ = arcsin(n.sinγ) - γ

Aufgrund der vorstehend erläuterten optischen Anordnungen unter Verwendung von Prismen können z. B. die Emitter oder Emittergruppen von einem Hochleistungs-Dioden­ laserbarren auf Treppenstufenspiegel und Treppenspiegel abgebildet werden. Dabei wird der Winkel, um den sich die Bildebene dreht, auf die Treppenstufen angepaßt. Eine weitere optische Anordnung mit Prismen kann dem zweiten Treppenspiegel nachge­ schaltet werden. Damit kann die Bildebene wieder senkrecht zur optischen Achse ge­ dreht werden. Das ermöglicht einen minimalen Fokusdurchmesser.

Weiterhin wird durch diese Anordnung, neben einer guten Anpassung an die Treppen­ spiegelgeometrie, die Dimension des transformierten Strahls in der Fast-Richtung redu­ ziert, was die weitere Strahltransformation erleichtert und Verwendungen von Linsen mit kürzeren Brennweiten und somit einen kompakten Aufbau ermöglicht.

Wie anhand der vorstehenden Beschreibung ersichtlich wird, ist es mit der erfindungs­ gemäßen, optischen Anordnung, insbesondere in Bezug auf die verschiedenen, bevor­ zugten Verwendungsarten und Einsatzgebiete, möglich, einen minimalen Fokusradius zu erreichen; mit dieser Anordnung ist es möglich, schiefliegende Objekte in eine Bilde­ bene scharf abzubilden, andererseits kann ein Objekt in eine schiefe Bildebene abgebil­ det werden. Die Anordnung zeichnet sich hierbei durch einen einfachen und kostengün­ stigen Aufbau aus.

Claims (5)

1. Optische Anordnung zum Erzeugen unterschiedlicher optischer Wege von Strahl­ quellen zu entsprechenden Stellen auf Bildebenen und/oder Objektebenen, da­ durch gekennzeichnet, daß zur Änderung der relativen Orientierung der Bildebenen und/oder Objektebenen zur optischen Achse in dem Strahlengang mindestens ein Prisma angeordnet ist.

2. Verwendung der optischen Anordnung nach Anspruch 1 zur Abbildung reeller und/oder virtueller Strahlquellen, deren Strahlschwerpunkte jeweils in unterschiedli­ chen, zueinander parallelen Ebenen liegen, die so versetzt sind, daß die Strahl­ schwerpunkte im wesentlichen auf einer Ebene positioniert sind, die schräg zu der optischen Achse steht, in eine Bildebene, die im wesentlichen senkrecht zur opti­ schen Achse steht.

3. Verwendung der optischen Anordnung nach Anspruch 1 zur Abbildung reeller und/oder virtueller Strahlquellen, deren Strahlschwerpunkte in einer Ebene liegen, die im wesentlichen senkrecht zur optischen Achse steht, auf unterschiedliche, axial zueinander versetzte Bildebenen.

4. Verwendung der optischen Anordung nach Anspruch 1 zur Abbildung einer schräg zur optischen Achse stehenden Objektebene in eine Bildebene, die im wesentli­ chen senkrecht zur optischen Achse steht.

5. Verwendung der optischen Anordnung nach Anspruch 1 zur Abbildung einer im we­ sentlichen senkrecht zur optischen Achse stehenden Objektebene in eine schräg zur optischen Achse stehenden Bildebene.