DE4320177A1 - Optische Vorrichtung zur Erzeugung einer Linie und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents
Optische Vorrichtung zur Erzeugung einer Linie und Verfahren zu ihrer HerstellungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine optische Vorrichtung
zur Erzeugung einer Linie nach dem Oberbegriff des Patent
anspruchs 1 und auf Verfahren zur Herstellung derartiger
optischer Vorrichtungen.
Gebündelte, parallele Laserstrahlen, etwa von einem Helium-
Neon-Laser, können mit Hilfe eines einfachen passiven op
tischen Bauteils, etwa einer Zylinderlinse oder einem
zylinderförmigen Spiegelsegment, in einer die optische
Achse enthaltenden Ebene aufgeweitet werden. In dieser
Ebene weist der Strahl einen deutlich größeren Divergenz
winkel als in einer dazu senkrechten Ebene auf. Beim Auf
treffen auf eine Projektionsebene erscheint der Strahl als
gerade Linie. Die Länge der projizierten Linie ergibt sich
aus dem Divergenzwinkel des aufgeweiteten Strahls und dem
Abstand der Projektionsebene von der Aufweitungsoptik. Die
Breite der Linie in Höhe der optischen Achse bestimmt sich
aus der Anfangsdivergenz des Laserstrahls und der Entfer
nung der Projektionsebene vom Laser. Im allgemeinen ist
aufgrund der geringen Anfangsdivergenz des Laserstrahls
die Breite der projizierten Linie gegenüber ihrer Länge
vernachlässigbar, so daß die Linie als eindimensionales
Gebilde wahrgenommen wird.
Die wahrgenommene Helligkeit eines Ortes in einer pro
jizierten Figur ist proportional zur Menge der an diesem
Ort auftreffenden Strahlung. Bei der Wahrnehmung einer
Linie als eindimensionales Gebilde entspricht die Hellig
keit eines Linienortes der gesamten über die Linienbreite
verteilten Intensität, d. h. der Linienleistungsdichte.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optische
Vorrichtung zur Erzeugung einer gleichmäßig hellen geraden
Linie zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs
1 gelöst.
Die erfindungsgemäße optische Vorrichtung weist einen
Laser und eine lichtbrechende Optik auf, welche den
Strahl derart eindimensional aufweitet, daß der aufgewei
tete Laserstrahl auf einer Projektionsebene eine Linie mit
in Längsrichtung gleichmäßig verteilter Helligkeit auf
weist. Der Laserstrahl erfährt an einem Bereich einer
brechenden Oberfläche der Optik die Wirkung einer asphä
rischen Zylinderlinse. Dieser Bereich ist speziell auf
den einfallenden Laserstrahl abgestimmt konturiert, um
die spezielle gewünschte Strahlaufweitung zu erhalten.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß der Laser
strahl ein Strahlprofil mit bekannter und eindeutig be
stimmter Intensitätsverteilung, bestimmt durch Strahldurch
messer und Mode, aufweist und diese Verteilung bei einer
Strahlaufweitung geeignet modifiziert werden kann, so daß
im Fernfeld der optischen Vorrichtung eine gewünschte In
tensitätsverteilung geschaffen wird. Die Intensitätsver
teilung des ursprünglichen Laserstrahls hängt von der
Strahlungsmode ab, in der der Laser arbeitet. Bei kleine
ren Lasern ist dies meist die Grundmode, bei der die In
tensität in einer die optische Achse enthaltende Strahl
ebene in Form einer Gaußkurve um die optische Achse ver
teilt ist. Mit diesem Wissen läßt sich bei bekanntem
Strahldurchmesser eine asphärische Zylinderlinse berech
nen, die mit dem Strahl in einer gewissen Entfernung von
der Zylinderlinse eine Linie mit über ihrer Länge gleich
mäßig verteilter Linienleistungsdichte erzeugt.
Der Erfindung liegt weiterhin die Erkenntnis zugrunde,
daß ein Dachprisma mit relativ wenig Aufwand so modifi
ziert werden kann, daß es wie die oben beschriebene spe
zielle Zylinderlinse wirkt. Dabei ist es vorteilhaft, die
Dachflächen des Prismas zur Bildung der Linienenden und
zur Vorgabe eines festen Öffnungswinkels zu nutzen. Ein
derartiges Prisma als Rohling für eine zylinderförmige
asphärische Optik läßt sich in verschiedenen Herstel
lungsverfahren gut benutzen. Die Erkenntnis, daß bei der
Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe eine plankonvexe
Zylinderlinse benutzt werden kann und die Dicke dieser
Linse für die Erzeugung einer Linie im Fernfeld keine
Rolle spielt, macht die Erfindung in bezug auf Laserstrah
len mit sehr kleinem Durchmesser besonders bedeutsam, da
mit relativ großen Prismen, die gut in Bearbeitungswerk
zeuge einspannbar sind, kleine optisch wirksame Flächen
exakt bearbeitet werden können.
Eine Ausgestaltung der optischen Vorrichtung sieht vor,
daß die Kontur des asphärischen Bereiches glatt in die
Dachflächen des Prismas übergeht.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß
äußere Laserstrahlbereiche knapp auf die Dachflächen des
Prismas fallen und die derart gebrochenen Strahlen, die
unter dem Öffnungswinkel des Prismas aus diesem austreten,
die Enden der erzeugten Linie bilden.
Ausgestaltungen der Erfindung sehen sowohl ein Fünfflä
chenprisma als auch ein Dreiflächenprisma vor.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die
optische Vorrichtung einen festen Öffnungswinkel des aus
tretenden Strahls zwischen ca. 5° und ca. 120° auf. Der
feste Öffnungswinkel des austretenden Strahls wird durch
den Prismenwinkel bestimmt.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung weist die
optische Vorrichtung im Strahlengang eine dem Prisma fol
gende Zylinderlinse auf. Die zusätzliche Zylinderlinse
kann den vom Prisma vorgegebenen Öffnungswinkel modifizie
ren. Falls insbesondere der Abstand zwischen Prisma und
Zylinderlinse variabel ist, kann der Öffnungswinkel belie
big eingestellt werden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das
Prisma in bezug auf eine Mittelachse symmetrisch und die
optische Achse fällt mit der Mittelachse des Prismas zu
sammen und verläuft senkrecht zu einer Projektionsfläche.
Dies ist der Standardfall des symmetrischen optischen
Aufbaus, bei der die projizierte Linie senkrecht zur
optischen Achse liegt.
In einer dazu alternativen Ausgestaltung ist das Prisma
wiederum symmetrisch in bezug auf eine Mittelachse, je
doch verläuft die optische Achse parallel in einem Abstand
zur Mittelachse und ist zur Projektionsebene geneigt. Da
mit können in Längsrichtung gleichmäßig helle Linien auf
zur optischen Achse unterschiedlich geneigten Projektions
ebenen mit ein und demselben Prisma lediglich durch dessen
Parallelverschiebung senkrecht zur optischen Achse er
zeugt werden.
Ein erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren eines erfin
dungsgemäß modifizierten Prismas sieht vor, daß der Be
reich der Dachkante des Prismas nachträglich geschliffen/
poliert wird, um die erforderliche asphärische Kontur zu
erzeugen. Dieses Verfahren eignet sich vorteilhaft für
kleine Stückzahlen.
Ein weiteres erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren sieht
vor, daß der Bereich der Dachkante eines Prismas auf einer
numerisch gesteuerten Maschine gefräst und anschließend
poliert wird, um die erforderliche asphärische Kontur zu
erzeugen. Dieses Verfahren ist bei mittleren Stückzahlen
vorteilhaft.
Ein weiteres erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren sieht
vor, daß das Prisma mittels Blankpressen in einer die op
tische Kontur aufweisende Form erzeugt wird. Dieses Ver
fahren eignet sich vorteilhaft für große Stückzahlen.
Ein weiteres erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren sieht
vor, daß ein maßstäblich vergrößerter Rohling auf einer
numerisch gesteuerten Maschine gefräst und anschließend
mittels Erhitzen und Ziehen auf das gewünschte Endmaß
gebracht wird. Dieses Verfahren ist ähnlich dem Ziehprozeß
bei Glasfasern und bietet darüber hinaus den Vorteil, daß
aus einem "Master" Linsen für verschiedene Strahldurchmes
ser herstellbar sind. Ein starkes Ziehen ergibt kleine,
ein weniger starkes Ziehen insgesamt größere Linsen, die
zu kleineren bzw. größeren Strahldurchmessern passen.
Gleichzeitig mit der Maßreduktion findet beim Ziehen eine
Flammpolitur der Linsenoberfläche statt, so daß eine se
parate mechanische Politur bei diesem Verfahren entfällt.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen
näher erläutert, in denen
Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines erfindungsge
mäß modifizierten Prismas mit eingetragenem Strah
lenverlauf darstellt,
Fig. 2 ein Diagramm mit dem Intensitätsverlauf in einem
Schnitt durch den ursprünglichen Laserstrahl dar
stellt,
Fig. 3 ein Diagramm mit einer berechneten Linienleistungs
dichte einer mit einer erfindungsgemäßen Vorrich
tung erzeugten Linie darstellt,
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäß
modifizierten Prismas mit eingezeichnetem Strahlen
verlauf im Dachkantenbereich ist, und
Fig. 5 eine Funktion des berechneten Oberflächenverlaufs
im erfindungsgemäß modifizierten Dachkantenbereich
eines Primas darstellt.
In Fig. 1 trifft ein Laserstrahl 10 eines nicht darge
stellten Lasers auf den Dachkantenbereich eines Fünfsei
tenprismas 12 und wird in der Zeichenebene aufgeweitet.
Der Dachkantenbereich des Primas 12, dessen Breite dem
Strahldurchmesser entspricht, weist eine auf die Lasermode
abgestimmte Oberflächenkontur einer asphärischen Zylinder
linse auf und bricht den Strahl entsprechend. In der
Zeichenebene besteht der Laserstrahl schematisch aus
diversen Teilstrahlen unterschiedlicher Intensität, die
zur optischen Achse 14 hin gebrochen werden, die optische
Achse schneiden und an der Grundseite 16 des Prismas er
neut, nun von der optischen Achse fort, gebrochen werden.
Die äußeren Teilstrahlen 18, 20 bilden nach dem Verlassen
des Prismas den Öffnungswinkel der Optik, der vom Prismen
winkel, dem Winkel zwischen den Dachflächen 22 und 24 des
Prismas, abhängt. In der Zeichenebene hat der einfallende
Laserstrahl in der Schnittebene 26 das in Fig. 2 gezeigte
Intensitätsprofil.
In einem Abstand hinter dem Prisma 12 wird der Strahl auf
eine Ebene 28 projiziert und bildet dort eine Linie mit
einer in Längsrichtung gleichmäßigen Linienleistungsdichte.
Eine Beispielsberechnung für eine derartige Linien
leistungsdichte zeigt Fig. 3 in Abhängigkeit von der Ent
fernung von der Linienmitte.
In Fig. 4 ist der Strahlenverlauf im erfindungsgemäß modi
fizierten Dachkantenbereich 30 eines Prismas 32 darge
stellt. Die schematisch eingezeichneten Strahlen 34 des
einfallenden Laserstrahls sind in gleichem Abstand darge
stellt. Gemäß Fig. 2 verlaufen sie an Orten stark unter
schiedlicher Intensität. Unter Bezugnahme auf Fig. 2 wird
klar, daß die wesentliche Laserleistung im zentralen Be
reich des Laserstrahls konzentriert ist. Um eine gleich
mäßig helle projizierte Linie zu erreichen, muß die Inten
sität des Kernbereichs auf einen wesentlich größeren Be
reich der projizierten Linie verteilt werden als die In
tensität in den Randbereichen. Dieser Zusammenhang wird in
Fig. 4 deutlich.
Aufgrund dieses Zusammenhangs ist die Kontur des zentralen
Dachkantenbereichs für die gleichmäßige Verteilung der
Strahlungsleistung bedeutend. Eine Berechnung für eine
derartige Kontur zeigt Fig. 5. Die Abszisse ist senkrecht
zur optischen Achse und die Ordinate entlang der optischen
Achse in Richtung zum Laser gewählt. Abszisse und Ordinate
sind allerdings in verschiedenen Maßstäben dargestellt. An
der Abszisse geht die modifizierte Kontur in die Dach
flächen des Prismas glatt (differenzierbar) über.
Claims (15)
1. Optische Vorrichtung zur Erzeugung einer Linie mit
einem Laser und einer lichtbrechenden Optik, dadurch
gekennzeichnet, daß ein den Laserstrahl (10) brechender
Bereich (30) einer Oberfläche der lichtbrechenden Optik
(12, 32) die Kontur einer auf die Intensitätsverteilung
des Laserstrahls abgestimmten asphärischen Zylinderlinse
aufweist, die den Laserstrahl in Richtung der Zylinder
linsenachse derart aufweitet, daß er in einer Entfer
nung hinter der brechenden Optik eine zur optischen
Achse (14) geneigte gerade Linie mit über ihrer Länge
gleichmäßig verteilter Linienleistungsdichte bildet.
2. Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die lichtbrechende Optik (12, 32) ein
modifiziertes Dachprisma ist, das in einem Bereich (30)
um die Dachkante die Kontur der asphärischen Zylinder
linse aufweist.
3. Optische Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Kontur des asphärischen Bereiches
glatt in die Dachflächen (22, 24) des Prismas (12)
übergeht.
4. Optische Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß äußere Laserstrahlbereiche knapp auf die
Dachflächen (22, 24) des Prismas fallen und die derart
gebrochenen Strahlen (18, 20), die unter dem Öffnungs
winkel des Prismas (12) aus diesem austreten, die Enden
der erzeugten Linie bilden.
5. Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß das Prisma (12) ein Fünf
flächenprisma ist.
6. Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß das Prisma ein Dreiflächen
prisma ist.
7. Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung einen fe
sten Öffnungswinkel des austretenden Strahls zwischen
ca. 5° und ca. 120° aufweist.
8. Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung im Strah
lengang eine dem Prisma folgende Zylinderlinse aufweist.
9. Optische Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Abstand zwischen Prisma und Zylin
derlinse variabel ist.
10. Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß das Prisma (12) in bezug
auf eine Mittelachse symmetrisch ist und die optische
Achse (14) mit der Mittelachse zusammenfällt und senk
recht zu einer Projektionsebene (28) verläuft.
11. Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß das Prisma in bezug auf
eine Mittelachse symmetrisch ist und die optische
Achse in einem Abstand parallel zur Mittelachse und zu
einer Projektionsebene geneigt verläuft.
12. Verfahren zur Herstellung einer optischen Vorrichtung
nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Bereich der Dachkante eines Prismas
nachträglich geschliffen/poliert wird, um die erfor
derliche asphärische Kontur zu erzeugen.
13. Verfahren zur Herstellung einer optischen Vorrichtung
nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Bereich der Dachkante eines Prismas
auf einer numerisch gesteuerten Maschine gefräst und
anschließend poliert wird, um die erforderliche asphä
rische Kontur zu erzeugen.
14. Verfahren zur Herstellung einer optischen Vorrichtung
nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Prisma mittels Blankpressen in einer
die erforderliche asphärische Kontur aufweisende Form
erzeugt wird.
15. Verfahren zur Herstellung einer optischen Vorrichtung
nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekenn
zeichnet, daß ein maßstäblich vergrößerter Rohling auf
einer numerisch gesteuerten Maschine gefräst und an
schließend mittels Erhitzen und Ziehen auf das ge
wünschte Endmaß gebracht wird.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19934320177 DE4320177C2 (de) | 1993-06-18 | 1993-06-18 | Optische Vorrichtung zur Erzeugung einer Linie und Verfahren zu ihrer Herstellung |
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Publications (2)
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