DE3904896A1 - Optisches element zur erzielung einer annaehernd gleichmaessigen beleuchtungsstaerke in einer beobachtungsebene - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzielung einer zumindest annähernd gleichmäßigen Beleuchtungsstärke in einer Beobachtungsebene mit einer Lichtquelle, von der ein zumin­ dest näherungsweise kollineares Lichtstrahlbündel erzeugt ist, und mit einer Einrichtung, in der das Lichtstrahlbündel optisch verändert ist für eine Beleuchtung der Beobachtungs­ ebene.

Bei der technischen Anwendung von Laserstrahlbündeln, bei­ spielsweise zum laserinduzierten oder laserverstärkten groß­ flächigen chemischen Abscheiden von Mikrostrukturen, oder beispielsweise zum ablativen Schneiden oder Bearbeiten von Keramik, sind Laserstrahlbündel mit konstantem Intensitäts­ querschnitt, einem sog. Kastenprofil, von einer wesentlichen Bedeutung, damit die geforderten Arbeitstoleranzen eingehal­ ten werden können. Üblicherweise werden Streukörper, Streu­ scheiben, oder Streurohre verwendet. Das kohärente Laserlicht wird durch die genannten Elemente einer Streuung in große Raumwinkel unterworfen, um eine gute und gleichmäßige Durch­ mischung des Lichtbündels zu erreichen. Dabei wird ein relativ großer Intensitätsverlust registriert.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung anzugeben zur Erzielung einer zumindest annähernd gleichmäßigen Be­ leuchtungsstärke in einer Beobachtungsebene.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen kennzeichnenden Merkmale gelöst.

Die Erfindung beruht darauf, daß durch eine Einrichtung das Lichtstrahlbündel geteilt ist, und dabei gebildete Teilbündel des Lichtstrahlbündels in der Beobachtungsebene sich über­ deckend und überlagernd zusammengeführt sind.

Besonders große Vorteile ergeben sich daraus für die Nutzung der Lichtintensität.

Für die Teilung und Überlagerung der Teilbündel des Licht­ strahlbündels ist eine Anordnung von zumindest einer brechen­ den Fläche vorteilhaft. Beispielsweise kann eine brechende Fläche im Lichtstrahlbündel so angeordnet sein, daß sie sich in einem Teil des Querschnittes des Lichtstrahlbündels be­ findet und auf diese Weise das Lichtstrahlbündel in Teil­ bündel teilt.

Für die Teilung und Überlagerung der Teilbündel des Licht­ strahlbündels ist eine Anordnung von zumindest einer Spie­ gelfläche vorteilhaft. Beispielsweise kann eine Spiegel­ fläche im Lichtstrahlbündel so angeordnet sein, daß sie sich in einem Teil des Querschnittes des Lichtstrahlbündels be­ findet und auf diese Weise das Lichtstrahlbündel in Teil­ bündel teilt.

Die Teilbündel des Lichtstrahlbündels werden vorteilhaft in der Beobachtungsebene sich überdeckend und überlagernd zu­ sammengeführt für eine Nivellierung von Helligkeitsunter­ schieden des Lichtstrahlbündels. Dies erfolgt durch eine Ablenkung um einen Winkel von zumindest einem Teilbündel des Lichtstrahlbündels. Diese Ablenkung wird dabei von zumindest einer brechenden Fläche erzielt oder von zumindest einer Spiegelfläche bewirkt. Einen Winkel einschließend werden Teil­ bündel in der Beoachtungsebene sich überdeckend und überlagernd zusammengeführt.

Bei einem veränderlichen Abstand zur Beobachtungsebene wird zumindest eine brechende Fläche, z.B. eines membranbegrenzten Flüssigkeits- oder Gasvolumens, oder eine Spiegelfläche schwenkbar oder drehbar vorteilhaft so angeordnet, daß dem jeweiligen Abstand entsprechend die Teilbündel in der Beobach­ tungsebene sich überdeckend und überlagernd zusammengeführt sind.

Die in der Beobachtungsebene sich überdeckend und überlagernd zusammengeführten Teilbündel des Lichtstrahlbündels erzeugen in der Beobachtungsebene eine zumindest annähernd gleichmäßige Lichtintensität, insbesondere bei vernachlässigbaren kohären­ ten Anteilen des Lichtes des Lichtstrahlbündels. Bei kohären­ ten und inkohärenten Anteilen des Lichtes des Lichtstrahl­ bündels wird die Lichtintensität des inkohärenten Anteiles des Lichtes moduliert durch das Interferenzmuster des kohärenten Anteils des Lichtes in der Beobachtungsebene.

Beispielsweise bei einer Verwendung von Laserlicht mit über­ wiegend kohärenten Anteilen des Lichtes des Lichtstrahl­ bündels werden die Teilstrahlen vorteilhaft unter einem aus­ reichend großen Winkel in der Beobachtungsebene zusammen­ geführt, wobei die dabei entstehenden Helligkeitsunterschiede des Interferenzmusters in derart geringem Abstand gebildet werden, so daß beispielsweise bei einer Materialbearbeitung eines ablativen Abtragens oder Schneidens diese durch die Interferenz gebildeten Helligkeitsunterschiede keine ent­ scheidende Rolle spielen und deshalb vernachlässigt werden können.

Andererseits gibt es auch Anwendungsfälle einer Material­ bearbeitung für eine Herstellung gleichmäßig periodischer Strukturen, beispielsweise Gitterstrukturen. In diesem Fall ist die gleichmäßige Lichtintensität und die gleichmäßige Modulation der Lichtintensität vorteilhaft anwendbar zur Materialbearbeitung.

Vorteilhaft geeignet ist die Verwendung eines rechteckigen Querschnitts des Lichtstrahlbündels und rechteckiger Quer­ schnitte der Teilbündel des Lichtstrahlbündels. Besonders beim ablativen Abtragen und Schneiden ist die Einhaltung von Fer­ tigungstoleranzen dadurch erleichtert.

Vorteilhaft für eine einfache Form der Ausführung der Vorrich­ tung ist eine Verwendung von zwei Teilbündeln eines Licht­ strahlbündels.

Vorteilhaft ist die Verwendung eines bekannt einfach herstell­ baren Biprismas.

Eine Verwendung von zwei Spiegeln erbringt den Vorteil, daß zumindest ein Spiegel drehbar angeordnet werden kann, wodurch der Winkel zwischen den Teilbündeln des Lichtstrahlbündels änderbar ist, sodaß der Abstand der Beobachtungsebene variierbar ist.

Die Verwendung eines Hochleistungslasers als Lichtquelle bringt den Vorteil, daß eine große Lichtintensität zur Ver­ fügung steht.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die Inhomogenität der Lichtintensität eines Lichtstrahlbündels an den Außenbe­ reich verlagert, wo sie durch Ausblendung vorteilhaft leicht unschädlich gemacht werden kann. Im Überlagerungsgebiet der Teilbündel erfolgt eine Homogenisierung der Lichtintensität.

Die Teilung des Lichtstrahlbündels zu Teilbündeln erfolgt dabei bevorzugt durch optische Prismenflächen, beispielsweise eines Biprismas, einerseits oder andererseits durch Spiegel­ flächen, beispielsweise eines Doppelspiegels. Ein Biprisma ist beispielsweise bei einem rechteckigen Querschnitt des Licht­ strahlbündels bevorzugt so angeordnet, daß die Dachkante des Biprismas parallel zur kurzen Kante des rechteckigen Quer­ schnittes des Lichtstrahlbündels vorgesehen ist. Dadurch können unerwünschte Interferenzerscheinungen weitgehend unter­ drückt werden.

Für eine Herstellung periodischer Strukturen mit Hilfe einer gleichmäßigen mittleren Beleuchtungsstärke ist die Dachkante des Biprismas vorteilhaft parallel zur langen Kante des recht­ eckigen Querschnitts des Lichtstrahlbündels angeordnet.

Bei einer Verwendung von Spiegelflächen erfolgt dabei vorteil­ haft eine Umlenkung in eine andere Richtung als die Strahl­ achse des Lichtstrahlbündels, beispielsweise zur Erleichte­ rung der Bearbeitung einer Struktur.

Die Beobachtungsebene liegt in einem Abstand, der vom Winkel zwischen den Teilbündeln des geteilten Lichtstrahlbündels bestimmt wird. Bei einer Verwendung eines Hochleistungslasers beispielsweise treten fallweise in der Beobachtungsebene Lichtstrahlinterferenzen auf. In diesem Fall ist der Winkel zwischen den Teilbündeln des geteilten Lichtstrahlbündels so zu wählen, daß der Streifenabstand des Lichtstrahlinter­ ferenzmusters derart klein ist, daß er vernachlässigt werden kann.

Die Erfindung wird anhand der Figur und mit einem Ausführungs­ beispiel näher erläutert.

Die Figur zeigt einen Hochleistungslaser mit einem Biprisma beim ablativen Schneiden einer Platte in der Beobachtungs­ ebene.

Wie die Figur zeigt, wird ein in einem Oszillator 1 eines Hochleistungslasers erzeugter Lichtstrahl durch ein zentrales Loch 3 eines Resonatoreintrittsspiegels in einen Resonator 5 des Hochleistungslasers eingeleitet. Der Resonator 5 des Hoch­ leistungslasers besteht aus einem Resonatoreintrittsspiegel 4 und einem halbdurchlässigen Resonatoraustrittsspiegel 6. Im Resonator 5 zwischen dem Resonatoreintrittsspiegel 4 und dem Resonatoraustrittsspiegel 6 befindet sich der Verstärker 2 des Hochleistungslasers. Das verstärkte Lichtbündel 11 verläßt den Resonator durch den halbdurchlässigen Resonatoraustrittsspie­ gel 6, wobei das Lichtstrahlbündel 11 einen rechteckigen Quer­ schnitt und eine Lichtintensitätsmodulation aufweist. In der Mitte des Lichtstrahlbündels 11 ist bei diesem Ausführungs­ beispiel die Lichtintensität größer als am Rand.

Im Strahlengang des Lichtstrahlbündels 11 befindet sich ein Biprisma 7. Die Dachkante 8 des Biprismas 7 befindet sich dabei im Zentrum des Lichtstrahlbündels 11. Mit Bezug zum rechteckigen Querschnitt des Lichtstrahlbündels 11 ist dabei die Dachkante 8 des Prismas 7 so angeordnet, daß die Dach­ kante 8 des Biprismas 7 parallel zur kurzen Seite 111 des rechteckigen Bündelquerschnitts 11 verläuft und die lange Seite 112 des rechteckigen Bündelquerschnitts halbiert. Beide Prismenflächen des Biprismas 7 schließen dabei mit der Rich­ tung des Lichtstrahlbündels 11 einen gleichen Winkel ein. Die Austrittsfläche des Biprismas liegt parallel zur Beobachtungs­ ebene 9.

Durch das Biprisma wird das Lichtstrahlbündel 11 in zwei Teil­ bündel 12 und 13 aufgeteilt. Durch die aus der Figur ersicht­ liche Anordnung der Dachflächen des Biprismas 7 wird erreicht, daß die Teilbündel 12 und 13 einander durchdringen, wobei sie einen Winkel 15 einschließen. Der Abstand des Biprismas 7 von der Beobachtungsebene 9 ist dabei so gewählt, daß beide Teil­ bündel 12 und 13 in der Beobachtungsebene 9 einander über­ deckend und überlagernd zusammengeführt sind. Dabei wird die hohe Lichtintensität in der Mitte des Lichtstrahlbündels 11, also im Bereich der Dachkante 8 des Biprismas 7 mit der nie­ drigeren Lichtintensität im Bereich der Begrenzung 111 des rechteckigen Lichtbündelquerschnitts überlagert. Bedingt dadurch wird in der Beobachtungsebene 9 eine gleichmäßige Lichtintensität erhalten.

Der Hochleistungslaser dieses Ausführungsbeispiels sendet das Licht mit einer Wellenlänge von ungefähr 299 nm aus, und einem Öffnungswinkel von 0,5 mrad. Der rechteckige Querschnitt des ausgesendeten Lichtstrahlbündels 11 hat an der kurzen Seite 111 eine Länge von 0,5 cm, und an der langen Seite 112 eine Länge von 2 cm. Das in diesem Ausführungsbeispiel verwendete Biprisma weist einen Umlenkwinkel von 0,04 rad auf. Der Ab­ stand zwischen der Beobachtungsebene und dem Biprisma beträgt bei diesem Ausführungsbeispiel 40 cm. Der Streifenabstand des die Intensitätsverteilung modulierenden Interferenzmusters des kohärenten Lichtanteiles in der Beobachtungsebene läßt sich rechnerisch abschätzen und liegt bei ungefähr 5 µm. Dieser Wert ist so niedrig, daß er vernachlässigt werden konnte.

Die Vorrichtung dieses Ausführungsbeispiels ist jedoch auch geeignet zur Erzeugung einer Mikrostruktur eines Gitters mit 5 µm Streifenabstand und einer gleichmäßigen periodischen Struktur.

Claims (12)

1. Vorrichtung zur Erzielung einer zumindest annähernd gleich­ mäßigen Beleuchtungsstärke in einer Beobachtungsebene (9) mit einer Lichtquelle (1, 2, 4, 6), von der ein zumindest nähe­ rungsweise kollineares Lichtstrahlbündel (11) erzeugt ist, und mit einer Einrichtung (7), in der das Lichtstrahlbündel (11) optisch verändert ist für eine Beleuchtung der Beobachtungs­ ebene (9), dadurch gekennzeichnet, daß durch die Einrichtung (7) das Lichtstrahlbündel (11) geteilt ist, und dabei gebildete Teilbündel (12, 13) des Lichtstrahlbündels (11) in der Beobachtungsebene (9) durch die Einrichtung (7) sich überdeckend und überlagernd zusammenge­ führt sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in der Einrichtung (7) zu­ mindest ein optisch brechendes Element (7) vorgesehen ist.

3. Vorrichtung nach einem der genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das optisch brechende Element (7) drehbar oder schwenkbar an­ geordnet ist.

4. Vorrichtung nach einem der genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Einrichtung (7) zumindest eine Spiegelfläche vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach einem der genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Spiegelfläche drehbar oder schwenkbar angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach einem der genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein rechteckiger Querschnitt (111, 112) des Lichtstrahlbündels (11) und rechteckige Querschnitte der Teilbündel (12, 13) des Lichtstrahlbündels (11) vorgesehen sind.

7. Vorrichtung nach einem der genannten Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß zwei Teilbündel (12, 13) des Lichtstrahlbündels (11) vorgesehen sind.

8. Vorrichtung nach einem der genannten Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Einrich­ tung (7) ein optisches Biprisma ist.

9. Vorrichtung nach einem der genannten Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (7) aus zwei Spiegeln besteht.

10. Vorrichtung nach einem der genannten Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (1, 2, 4, 6) ein Hochleistungslaser ist.

11. Vorrichtung nach einem der genannten Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß in der Beobachtungsebene (9) durch einen kohärenten Anteil des Lichtstrahlbündels (11) ein Interferenzmuster mit einer periodisch gleichmäßigen Beleuchtungsstärke gebildet ist.

12. Vorrichtung nach einem der genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (7) ein lichtbrechendes Element, bestehend aus einem oder mehreren membranbegrenzten Flüssigkeits- oder Gasvolumina, ist, dessen brechende Eigenschaften durch mechanische Verstellung der Membrane verändert werden können.