DE4320177C2 - Optische Vorrichtung zur Erzeugung einer Linie und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

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.

In der DE 41 35 459 A1 ist eine optische Vorsatzeinrich­ tung für Laser zur Erzeugung einer Linie variabler Länge und Breite offenbart, wobei das oben beschriebene Prinzip benutzt wird. Bei der Einrichtung sind einem Punktlaser eine Sammel- oder Streulinse, dieser eine Zylinderlinse und letzterer eine Sammellinse nachgeschaltet, wobei die Zylinderlinse und die Sammellinse entlang der optischen Achse des Linsensystems unabhängig voneinander bewegbar sind.

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 unter Verwendung eines Lasers zu schaffen. Insbeson­ dere soll die optische Vorrichtung für Laserstrahlen mit einem sehr geringen Durchmesser, z. B. von weniger als 1 mm, geeignet sein.

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. Die lichtbrechende Optik weist ein den Laserstrahl brechendes modifiziertes Dachprisma derart auf, daß der Laserstrahl in einem Bereich um die Dachkante des Dach­ prismas die Wirkung einer asphärischen Zylinderlinse er­ fährt. Dieser Bereich ist speziell auf den einfallenden Laserstrahl abgestimmt konturiert, um die spezielle ge­ wünschte 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 ist der Prismenwinkel so festgelegt, daß der Öffnungswinkel des aus­ tretenden Strahls einen Wert zwischen ca. 5° und ca. 120° aufweist.

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 (14)

1. Optische Vorrichtung zur Erzeugung einer Linie mit einem Laser und einer lichtbrechenden Optik, dadurch gekennzeichnet, daß die Optik ein den Laserstrahl (10) brechendes modifiziertes Dachprisma enthält, das in ei­ nem Bereich (30) um die Dachkante die Kontur einer auf die Intensitätsverteilung des Laserstrahls derart abge­ stimmten asphärischen Zylinderlinse aufweist, daß der Laserstrahl in Richtung der Zylinderlinsenachse aufge­ weitet und in einer Entfernung hinter der brechenden Optik eine zur optischen Achse (14) geneigte gerade Li­ nie mit über ihrer Länge gleichmäßig verteilter Linien­ leistungsdichte gebildet wird.

2. Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kontur des asphärischen Bereiches glatt in die Dachflächen (22, 24) des Prismas (12) übergeht.

3. Optische Vorrichtung nach Anspruch 2, 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.

4. Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Prisma (12) ein Fünf­ flächenprisma ist.

5. Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Prisma ein Dreiflächen­ prisma ist.

6. Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Prismenwinkel so fest­ gelegt wird, daß der Öffnungswinkel des austretenden Strahls einen Wert zwischen ca. 5° und ca. 120° auf­ weist.

7. Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung im Strah­ lengang eine dem Prisma folgende Zylinderlinse auf­ weist.

8. Optische Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Abstand zwischen Prisma und Zylin­ derlinse variabel ist.

9. Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, 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.

10. Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, 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.

11. Verfahren zur Herstellung einer optischen Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Bereich der Dachkante eines Prismas nachträglich geschliffen/poliert wird, um die erfor­ derliche asphärische Kontur zu erzeugen.

12. Verfahren zur Herstellung einer optischen Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, 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.

13. Verfahren zur Herstellung einer optischen Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Prisma mittels Blankpressen in einer die erforderliche asphärische Kontur aufweisende Form erzeugt wird.

14. Verfahren zur Herstellung einer optischen Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, 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.