DE4428704A1 - Sichtlinien-Lenksystem für Hochleistungslaserstrahlen - Google Patents

Description

Hintergrund der Erfindung 1. Technisches Gebiet

Diese Erfindung betrifft gerichtete Energielenksysteme im all­ gemeinen und insbesondere ein optisches Strahl-Lenksystem mit Mikrolinsenanordnungen und einer Phasenkompensationslinse zum Lenken von optischen Hochleistungsstrahlen.

2. Diskussion

Die Fähigkeit, eine schnelle Zielumtastung über ein weites Ge­ sichtsfeld hinweg zu erzielen, wurde ein wichtiger Gesichts­ punkt für strategische und taktische optische Zielanwendungen, insbesondere solche, die Mittel- bis Hochleistungslasersysteme verwenden. Für militärische Zwecke sind Zielumtastungsgeschwin­ digkeiten ein wichtiger Faktor bei der Bestimmung der Effekti­ vität eines Lasersystems beim Zielen und Treffen einer ausrei­ chenden Anzahl von Zielen innerhalb eines großen Gesichtsfeldes in einem begrenzten Zeitfenster. Zusätzlich ist die schnelle Zielumtastung für Lasersysteme wünschenswert, die allgemein für andere raumbezogene Anwendungen verwendet werden, z. B. Laser­ kommunikationsanwendungen, die üblicherweise eine Strahlbeweg­ lichkeit mit kleinbauenden und leichtgewichtigen Bauteilen be­ nötigen. Um eine schnelle Zielumtastung zu erreichen, ist es im allgemeinen notwendig, ein Strahllenksystem zu verwenden, das einen optischen Strahl entlang eines gewünschten Pfades um­ lenkt.

In der Vergangenheit haben viele der frühen herkömmlichen Strahlumlenkungssysteme im allgemeinen einen relativ kompli­ zierten Drehmechanismus benötigt, um einen großen Brennspiegel um einen Rotationsbereich zu bewegen. Gemäß derartigen herkömm­ lichen Ansätzen ist die Lenksystemantwort im allgemeinen umge­ kehrt proportional zur Größe des Fokussierspiegels. Allerdings benötigen optische Hochleistungsstrahlen im allgemeinen einen relativ großen Spiegel um den Energiestrahl effektiv umzulen­ ken. Das Erfordernis eines großen Spiegels führt zu einer nied­ rigen Lenkantwort, insbesondere bei Weitwinkellenkanordnungen, in denen im allgemeinen eine größere Spiegelbewegung erforder­ lich ist. Dementsprechend besteht eine Notwendigkeit für ein Strahllenksystem, das eine verbesserte Antwortzeit und einfa­ chere Kontrollmechanismen benötigt, um eine kostengünstige Weitwinkel-Hochleistungsstrahllenkung zu erhalten.

Derzeit existiert ein Mikrolinsenstrahllenkungssystem, das die Umsetzung von zwei Mikrolinsenanordnungen aufweist, die als ei­ ne Teleskopanordnung konfiguriert sind. Ein derartiges System ist in dem technischen Dokument von Flood et al. mit dem Titel "Continuous Wide Angle Beam Steering Using Translation of Bi­ nary Microlens Arrays and a Liquid-Crystal Phased Array", be­ schrieben, veröffentlicht in SPIE Proceeding Volume 1211, Sei­ ten 296-304 (1990). Dieses technische Dokument wird hiermit durch Bezugnahme in diese Anmeldung aufgenommen. Durch Verwen­ dung dieser Art von Mikrolinsen-Strahllenktechnik wird ein op­ tischer Strahl in eine Vielzahl von Strahlsäulen getrennt, von denen jede durch eine Mikrolinse in der Mikrolinsenanordnung hindurch geht. Eine translatorische Bewegung der Mikrolinsenan­ ordnung ermöglicht die Fähigkeit, die Vielzahl von Strahlsäulen gemeinsam zu lenken. Um die Strahllenkung zu vollenden, werden die gelenkten Strahlen(säulen) dann wieder rekombiniert, um ei­ nen umgelenkten Fernfeldstrahl zu bilden. Gemäß diesem Ansatz wird eine Weitwinkelstrahllenkung mit einer relativ geringen translatorischen Bewegung erreicht, die im allgemeinen nur eine Bewegung um einen Bruchteil der Größe der Mikrolinse erfordert.

Während der vorstehend beschriebene Mikrolinsenanordnungs- Strahllenkungsansatz eine Vielzahl von Vorteilen gegenüber den früheren Drehspiegel-Strahllenkungssystemen bietet, gibt es im­ mer noch eine Anzahl von Nachteilen. Zum einen ist die Vielzahl von gelenkten Strahlsäulen im allgemeinen nicht gleichförmig in Phase miteinander, mit der Ausnahme von bestimmten diskreten Lenkwinkeln. Als Konsequenz hiervon ist die resultierende Fern­ feldstrahlintensität im allgemeinen ziemlich niedrig, wenn die Strahlsäulen nicht gleichförmig miteinander zurück in Phase ge­ bracht werden können. Ein zweiter Nachteil, der mit einigen früheren Ansätzen zusammenhängt, betrifft das Auftreten von In­ terferenzen, das im allgemeinen zwischen den Strahlsäulen und Lenklinsen auftritt. Das obengenannte technische Dokument be­ schreibt des weiteren ein Verfahren, das eine flüssigkristall­ phasenmodulierte Anordnung verwendet, um eine Phasenkompensa­ tion entlang der Strahlsäulen bereitzustellen, um so einige der diskreten Lenkwinkelbegrenzungen auszuschließen. Allerdings er­ fordern die Flüssigkristallanordnungen im üblicher Weise ein­ zelne Transistoren, die in jeder Sub-Öffnung angeordnet sind, um die daran angelegte Spannung zu steuern. Diese Anforderung verkompliziert das Steuerungssystem übermäßig. Zusätzlich sind Flüssigkristalle im allgemeinen keine wünschenswerten Materia­ lien zur Verwendung bei Mittel- bis Hochleistungslaserstrahlan­ wendungen. Dies liegt daran, daß Flüssigkristalle allgemein da­ für bekannt sind, eine ziemlich niedrige optische Beschädi­ gungsschwelle zu haben und daher sehr leicht anfällig für Be­ schädigungen sind, wie sie z. B. durch Verbrennungen hervorgeru­ fen werden. Des weiteren sind Flüssigkristalle derzeit ein re­ lativ kostspieliges Material.

Es ist daher wünschenswert, ein verbessertes Strahllenkungssy­ stem bereitzustellen, das nicht die vorstehend beschriebenen Nachteile aufweist, die im allgemeinen bei herkömmlichen Ansät­ zen gefunden werden. Insbesondere ist es wünschenswert, ein La­ serstrahllenksystem bereitzustellen, das eine Mikrolinsenanord­ nung hat, die Phasendifferenzen zwischen einzelnen Laserstrahl­ säulen kompensiert, um so eine Phasenkompensation zwischen ih­ nen zu bewirken. Zusätzlich ist es wünschenswert, ein derarti­ ges Strahllenkungssystem bereitzustellen, das eine weitwinke­ lige und hochschnelle Antwort und ein einfacheres Steuersystem hat.

Zusammenfassung der Erfindung

In Übereinstimmung mit der Lehre der vorliegenden Erfindung wird ein System und ein Verfahren zum Lenken eines Strahls op­ tischer Strahlung bereitgestellt. Das System weist eine Tele­ skop-Mikrolinsenanordnung auf, die einen Strahl optischer Strahlung empfängt, der entlang eines Eingangspfades gerichtet ist. Die teilende Teleskopanordnung weist erste und zweite Mi­ krolinsenanordnungen zum Teilen und Trennen des Strahls in eine Vielzahl von Strahlsäulen auf. Eine lenkende Teleskop-Mikrolin­ senanordnung lenkt und rekombiniert jede der geteilten Strahl­ säulen gemeinsam in einen Lenkpfad. Die lenkende Teleskopanord­ nung weist eine erste Mikrolinsenanordnung zum Lenken der Strahlsäulen von der teilenden Teleskopanordnung und eine zwei­ te Mikrolinsenanordnung zum Rekombinieren der Strahlsäulen in einen einzigen gelenkten Strahl auf. Das System weist des wei­ teren eine Kompensationslinse auf, die zwischen der teilenden Teleskopanordnung und der lenkenden Teleskopanordnung angeord­ net ist, die Phasendifferenzen kompensiert, die ansonsten zwi­ schen den geteilten Strahlsäulen vorhanden wären.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Weitere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden für Fachleute dieses Gebietes beim Lesen der nachstehenden de­ taillierten Beschreibung und bei Bezugnahme auf die Zeichnungen deutlich, in denen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Breitband­ strahllenkungssystems in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist;

Fig. 2 eine zweidimensionale Darstellung des Systems von Fig. 1 ist und

Fig. 3 ein Graph ist, der Fernfeldmuster erläutert, die beim kontinuierlichem Lenken des Strahllenkungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung erzielbar sind.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

In Fig. 1 ist ein Strahllenkungssystem in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung gezeigt. Das Strahllenkungssystem 10 verwendet eine Mikrolinsenanordnung, die Teleskopanordnungen umfaßt, die so angeordnet sind, daß sie eine verbesserte Weit­ winkel-Hochgeschwindigkeitsstrahllenkung erzielen. Das Strahl­ lenkungssystem 10 ist insbesondere geeignet, um optische Mit­ tel- bis Hochleistungsstrahlen zu handhaben, wie sie z. B. in einem Hochleistungslasersystem erzeugt werden. Allgemein ge­ sprochen stellt das Strahllenkungssystem 10, wie es hier be­ schrieben ist, in vorteilhafter Weise eine verbesserte Lenkung von optischen Strahlen bereit indem ein vereinfachtes Steuersy­ stem verwendet wird, um Phasenveränderungen zu kompensieren.

Insbesondere weist das Strahllenkungssystem 10 eine teilende Teleskopanordnung 13 auf, die aus zwei konfokalen binären Mi­ krolinsenanordnungen 14 und 16 gebildet ist, um einen optischen Strahl 12 in eine Vielzahl von geteilten Strahlsäulen 18 zu teilen. Jede der konfokalen Mikrolinsenanordnungen 14 und 16 weist eine Vielzahl von Mikrolinsen auf, z. B. 14a, 14b, 16a und 16b, die so angeordnet sind, daß eine Mikrolinse 14a von der Anordnung 14 optisch gekoppelt oder ausgerichtet mit einer Mi­ krolinse 16 von der Anordnung 16 ist. Die optisch gekoppelten Paare der Mikrolinsen arbeiten so, daß sie einen teilenden Brennpunkt (Fokus) mit einer Vergrößerung von weniger als 1 be­ reitstellen. Dementsprechend empfängt die teilende Teleskopan­ ordnung 13 einen Strahl optischer Strahlung 12, der entlang ei­ nes Eingangspfades 15 gerichtet ist und fokussiert den Strahl 12 so, daß dieser Strahl 12 in die Vielzahl von geteilten Strahlsäulen 18 aufgeteilt und getrennt ist.

Die geteilten Strahlsäulen 18 werden danach im wesentlichen parallel zueinander in der allgemeinen Richtung des Pfades 15 projiziert. Die geteilten Strahlsäulen 18 sind voneinander um einen Abstand getrennt, der einen gewünschten Bereich der Strahllenkung ermöglicht, ohne daß eine übermäßige Beeinträch­ tigung von Interferenzen zwischen aneinander angrenzenden Strahlsäulen 18 auftritt. Dies liegt daran, daß der Betrag des Lenkungsbereiches im allgemeinen von dem Trennabstand zwischen aneinander angrenzenden Strahlsäulen 12 abhängig ist. Daher können kleiner bemessene Strahlsäulen 18 im allgemeinen größere Abstände zwischen sich haben, was wiederum einen größeren Len­ kungsbereich ermöglicht. Allerdings sollte die Größe der Strahlsäulen nicht zu klein sein, da ein kleines Strahlprofil anfangen kann, sich innerhalb einer kurzen Ausbreitungsstrecke zu verschlechtern.

Das Strahllenkungssystem 10 weist auch eine Lenkteleskopanord­ nung 23 auf, um jede der geteilten Strahlsäulen 18 entlang ei­ nes Lenkpfades 25 mit einem Lenkwinkel R gemeinsam zu lenken. Des weiteren steuert die Lenkteleskopanordnung 23 die geteilten Strahlsäulen 18 um einen gelenkten Feldstrahl 26 zu bilden. Die Teleskopanordnung 23 umfaßt eine Lenk-Mikrolinsenanordnung 22, die aus einer Vielzahl von lenkenden Mikrolinsen aufgebaut ist, die so angeordnet sind, daß jede Mikrolinse mit einer der ge­ teilten Strahlsäulen 18 ausgerichtet ist und eine der geteilten Strahlsäulen 18 empfängt. Jede Mikrolinse hat eine Oberfläche mit einer Öffnung, die größer ist als die Querschnittsfläche der Strahlsäule 18, die von dieser Öffnung empfangen wird. Wie nachstehend erläutert, wird die Mikrolinsenanordnung 22 bewegt, um die gemeinsame Lenkung der Strahlsäulen 18 zu bewirken. Zu­ sätzlich weist die lenkende Teleskopanordnung 23 eine kombinie­ rende Mikrolinsenanordnung 24 auf, die die einzelnen Strahlen von dem Mikrolinsenfeld 22 empfängt und diese Strahlen in einen einzigen gelenkten Strahl 26 zusammenfügt.

Der Lenkwinkel R ist durch die optischen Eigenschaften und die Gestalt der zugehörigen Mikrolinsen und die relative Position des durch die Mikrolinsen übertragenen Strahls bestimmt. Fig. 2 zeigt eine Seitenansicht des Strahlsystems 10, in dem die Mi­ krolinsenanordnungen 22 und 24 aus ihren in Fig. 1 gezeigten ausgerichteten Positionen wegbewegt sind. Um eine kontrollierte Strahllenkung zu bewirken, wird die Lenkanordnung 22 translato­ risch im wesentlichen entlang einer Ebene rechtwinklig zu den Strahlsäulen 18, die auf diese Ebene auftreffen, so bewegt, daß die damit verbundenen Mikrolinsen gemeinsam verschoben werden. Durch Verschieben der Lenklinsenanordnung 22 werden die geteil­ ten Strahlsäulen 18, die durch die Mikrolinsen hindurchtreten, durch einen anderen Abschnitt der jeweiligen Mikrolinsen ge­ sandt und damit entlang eines gelenkten Pfades 25 gelenkt. Die Lenklinsenanordnung 22 und die Kombinationslinsenanordnung 24 können unabhängig voneinander bewegt werden. Allerdings werden die Lenklinsenanordnung 22 und die Kombinationslinsenanordnung 24 vorzugsweise gemeinsam miteinander bewegt, so daß die ge­ lenkten Strahlen bezüglich der Kombinationsmikrolinsen zen­ triert ausgerichtet sind, um so eine Interferenz mit den an­ grenzenden Strahlen zu vermeiden. Wie in Fig. 2 gezeigt, wurde für den Lenkwinkel R die Lenklinsenanordnung 22 um eine Strecke A bewegt und die Kombinationslinsenanordnung 24 wurde um eine Strecke B bewegt. Die translatorische Bewegung der An­ ordnungen 22 und 24 wird durch geeignete (nicht gezeigte) Ak­ tuatoren ausgeführt, die im Stand der Technik bekannt sind. Ein derartiges Lenksystem ist in der vorstehend beschriebenen Lite­ raturstelle Flood et al. ausreichend definiert. Die Vergröße­ rungsfaktoren der teilenden Teleskopanordnung 13 und der len­ kenden Teleskopanordnung 23 sollten im wesentlichen umgekehrt proportional zueinander sein, um so eine einzige Spitze (peak) im Fernfeldstrahlmuster zu erzeugen, und dabei im wesentlichen die ursprüngliche Strahlgröße zu erhalten.

Während des Lenkvorgangs der Strahlsäulen 18 können die gelenk­ ten Strahlen kontinuierlich entlang einer Anzahl von Pfaden wie z. B. den Paden 25A, 25B und 25C entsprechend dem Lenkwinkel R bewegt werden. Der Lenkwinkel R ist im wesentlichen gleich dem Abstand der translatorischen Bewegung dividiert durch die Brennweite der zugehörigen Mikrolinsenanordnung. Wenn die Größe der Optik im Hochleistungsbereich sich vergrößert, wächst dem­ entsprechend der benötigte Bereich von Verschiebungsabschnitten für ein vergleichbares Sichtfeld im allgemeinen im wesentlichen proportional. Es ist bevorzugt, daß die Brennweite jeder Mikro­ linse der Anordnung 22 so kurz wie möglich und unabhängig von der Größe der Optik bleibt, um so ein skalierbares Strahllen­ kungssystem 10 zu erhalten.

Mikrolinsen der für die Anordnungen 16, 18, 22 und 24 verwend­ baren Art, wie sie vorstehend beschrieben sind, können in jeder beliebigen Anzahl von Gestalten konfiguriert sein, z. B. auch hexagonale oder viereckige Anordnungen in Abhängigkeit von dem Querschnitt des zu lenkenden Strahles. Mikrolinsen dieser Art können entweder lichtbeugende oder lichtbrechende Elemente sein, allerdings sind beugende Elemente im allgemeinen wegen ihrer Genauigkeit bevorzugt. Ein Fachmann auf diesem Gebiet wä­ re in der Lage, die geeignete Mikrolinsenanordnung auszuwählen. Es sind viele Wege bekannt, eine Mikrolinsenanordnung herzu­ stellen, z. B. Gießen, Pressen, Ausdehnung, Photoätzen und dergl. Allerdings können die meisten Herstellungsverfahren keine gute Linsenoberfläche in der Nähe der Ränder und der Ecken der Zellen erzeugen. Die Oberfläche weicht einfach von ei­ nem sphärischen Profil in diesen Bereichen ab, wodurch sich die gesamte Strahllenkungseffizienz reduziert. Dieser Nachteil kann behoben werden, indem binäre Linsen für die Mikrolinsenanord­ nung verwendet werden. Eine binäre Linse, die für Fachleute auf diesem Gebiet bekannt ist, hat stufenförmige Strukturen, die eine glatte sphärische Oberfläche simulieren. Die Beugung von Strahlung durch diese Strukturen resultiert in einer Strahldi­ vergenz oder Strahlkonvergenz in ähnlicher Weise wie die Funk­ tion einer Linse. Die Beugungseffizienz hängt von der Anzahl der Stufen der Struktur ab. Diese Stufenstrukturen können her­ gestellt werden, indem eine Photolithographietechnik wiederholt angewendet wird. In einem solchen Prozeß wird eine Maske ver­ wendet, um die Bereiche zu definieren, in denen das Basismate­ rial zu entfernen ist. Die Tiefe des Entfernens wird durch die Dauer eines chemischen oder Ionenätzprozesses kontrolliert. Ei­ ne 16-stufige Struktur würde vier wiederholte Vorgänge erfor­ dern, mit einer verringerten Fleckgröße in jeder der aufeinan­ derfolgenden Masken. Allerdings sind binäre Linsenanordnungen kommerziell nicht verfügbar, sie wurden hergestellt und gete­ stet für Spezialanwendungen in vielen fortschrittlichen Labors. Diese Herstellungstechniken können jedoch ohne weiteres für diese Anwendung verwendet werden. Das Strahllenksystem 10, wie es bisher beschrieben ist, stellt im allgemeinen eine Weitwin­ kelstrahllenkfähigkeit bereit. Da jedoch die Vielzahl der ge­ teilten Strahlsäulen 18 einzeln gelenkt werden, sind die damit verbundenen Phasenfronten nicht in der gleichen Ebene, wenn sie aus der Linsenanordnung 24 austreten. Als Folge hiervon können die unzusammenhängenden Phasenfronten zu dem führen, was als diskretes Phasenlenkphänomen bezeichnet wird, bei dem die Pha­ senbeziehung nur bei diskreten Lenkwinkeln zusammentrifft. Strahllenkungen bei anderen als den diskreten Winkeln sind nachteilig beeinträchtigt durch einen daraus resultierenden Energieverlust. Dementsprechend ist die Strahllenkung durch ei­ nen Winkelbereich in gleicher Weise beeinträchtig.

Die vorliegende Erfindung umfaßt die Hinzufügung einer bewegba­ ren Fein-Lenkkompensationslinse 20, die zwischen der teilenden Teleskopanordnung 13 und der Lenkteleskopanordnung 23 angeord­ net ist. Die Kompensationslinse 20 ist ein konvergierendes op­ tisches Element, das vorzugsweise aus einem gekrümmten Stück Glasmaterial hergestellt ist, das darauf auftreffende optische Energie bricht. Selbstverständlich sind auch andere optische Elemente, z. B. ein beugendes optisches Element oder eine Viel­ zahl von optischen Elementen anwendbar. Die Kompensationslinse 20 ermöglicht einen ausgewählten Betrag einer vorbestimmten Phasenkompensation für die geteilten Strahlsäulen 18, indem die geteilten Strahlsäulen 18 durch ausgewählte Bereiche der ge­ krümmten optischen Oberfläche gerichtet werden. Dementsprechend ist der Betrag der Phasenkompensation abhängig von den opti­ schen Eigenschaften, die durch den Bereich der Linse bereitge­ stellt werden, durch die die optische Energie hindurchdringt.

Die Kompensationslinse 20 umfaßt eine (nicht gezeigte) lineare Öffnung, die größer ist als die gesamte Querschnittsfläche, die durch die geteilten Strahlsäulen 18 bedeckt ist, und hat eine im wesentlichen gleichförmige brechende Oberflächenkontur um eine Phasenkompensation über die Querschnittsfläche der opti­ schen Energie zu bewirken, die darauf auftrifft. Die Kompensa­ tionslinse 20 hat eine Brennweite, die sehr viel größer ist als die Brennweite der einzelnen Mikrolinsen der Anordnung 16. Wäh­ rend der Veränderungen des Lenkwinkels wird die Kompensations­ linse 20 translatorisch entlang einer Ebene verschoben, die rechtwinklig zu den geteilten Strahlsäulen 18 verläuft, um den Oberflächenbereich zu verändern, durch den jede der geteilten Strahlsäulen 18 hindurchdringt. Der Betrag, um den die Kompen­ sationslinse 20 verschoben wird, ist abhängig von dem Betrag, um den die Lenkanordnung 22 verschoben wird, um den Strahl zu lenken. Eine Verschiebung der Linse 20 wird durch eine (nicht gezeigte) geeignete Betätigungsvorrichtung ausgeführt. Dies dient dazu, einen vorbestimmten Betrag der Phasenkompensation sicherzustellen und die Phasenfronten in den geteilten Strahlen auf eine Linie zu bringen. Dementsprechend stellt eine transla­ torische Verschiebung der Kompensationslinse 20 eine Verände­ rung in der vorbestimmten Phasenkompensation zwischen den ge­ teilten Strahlsäulen 18 sicher, wodurch der Phasenversatz kom­ pensiert wird, der durch die Lenkanordnung 22 erzeugt wird. Die Verschiebung der Kompensationslinse 20 geteilt durch die Brenn­ weite ist im wesentlichen gleich der erforderlichen Phasenju­ stierungsstrecke (weniger als eine Wellenlänge) geteilt durch die Mikrolinsengröße.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Mikrokompensa­ tionslinse 20 eine einzige bewegbare Brechungslinse, um ge­ meinsam eine Feinstrahllenkung bereitzustellen, die die Phasen­ unterschiede kompensiert, die ansonsten unter der Vielzahl von Strahlsäulen 18 bei diskreten Lenkwinkeln auftreten könnte. Die Phasendifferenzen können durch die Lenkmikrolinsenanordnungen 22 hervorgerufen werden und können in einem schwachen Fernfeld­ strahl resultieren. Die translatorische Verschiebung der Fein­ lenkkompensationslinse 20 wird dadurch erreicht, daß bekannte Phasenverzerrungen, die bei unterschiedlichen Lenkwinkeln R auftreten können, vorher durch eine vorbestimmte Phasenkompen­ sation kompensiert werden. Dementsprechend wird die Phasenkom­ pensation kontinuierlich entsprechend der Bewegungen der Lenklinsenanordnung 22 kompensiert, indem die Kompensationslin­ se 20 einfach bewegt wird. Im Betrieb empfängt das Strahllen­ kungssystem 10 den Strahl der optischen Strahlung 12 entlang des Eingangspfades 15 im allgemeinen von einem (nicht gezeig­ ten) Laser. Der optische Strahl 12 wird durch die teilende Te­ leskopanordnung 13 hindurchgeschickt, die ihrerseits den opti­ schen Strahl 12 in eine Vielzahl von geteilten Strahlsäulen 18 fokussiert. Die Feinlenkkompensationslinse 20 wird translatori­ sch verschoben, um so einen ausgewählten vorbestimmten Betrag von Phasenkompensation unter der Vielzahl von geteilten Strahl­ säulen 18 sicherzustellen, die ansonsten von unausgerichteten Phasenverschiebungen beeinträchtigt wären, die durch die Lenklinsenanordnung 22 während einer kontinuierlichen Strahl­ lenkoperation hervorgerufen wären. Die phasenkompensierten ge­ teilten Strahlsäulen 18 werden dann durch die Lenkteleskopan­ ordnung 22 gesendet, die bewirkt, daß jede der Vielzahl der ge­ teilten Strahlen entlang des Pfades 25 umgelenkt wird. Dabei kann die Lenkanordnung 23 translatorisch so verschoben werden, daß die darauf auftreffenden Strahlsäulen 18 ausgewählten Ober­ flächenbereichen davon ausgesetzt werden. Dabei kann der opti­ sche Strahl 26 kontinuierlich entlang einer Anzahl von zweiten Strahlpfaden, z. B. den Pfaden 25A, 25B und 25C gelenkt werden.

Fig. 5 erläutert Fernfeldstrahlmusterintensitäten, die bei ei­ ner kontinuierlichen Lenkung eines optischen Strahls entspre­ chend einem Beispiel eines Strahllenkungssystems 10 erhalten werden, wie es vorstehend beschrieben ist. Da der optische Strahl kontinuierlich gelenkt wird, liefert die Strahlintensi­ tät bei einer Anzahl von ausgewählten Lenkwinkeln R eine rela­ tiv gleichförmige Strahlausgangsleistung, die als ein im we­ sentlichen glatter einziger Peak gezeigt ist. Dies liegt daran, daß jede der den geteilten Strahlsäulen 18 zugeordneten Phasen­ fronten vor der Strahlumlenkung richtig kompensiert worden ist, so daß die Fernfeldstrahlintensität eine gleichförmige Intensi­ tät über einen kontinuierlichen Lenkbereich hat.

Angesichts der vorstehenden Beschreibungen wird deutlich, daß die vorliegende Erfindung den Benutzer in die Lage versetzt, ein optisches Strahllenksystem 10 zu erhalten. Obwohl die Er­ findung vorstehend in Verbindung mit einem bestimmten Ausfüh­ rungsbeispiel erläutert worden ist, ist außer in den beigefüg­ ten Ansprüchen keine Begrenzung beabsichtigt. Dies liegt daran, daß Fachleute auf diesem Gebiet erkennen können, daß andere Ab­ wandlungen möglich sind ohne den Erfindungsgedanken zu verlas­ sen, nachdem sie die Beschreibung und die Zeichnungen studiert haben.

Claims (21)

1. Ein System (10) zum Lenken eines Strahls optischer Strah­ lung, das Phasenabweichungen in dem Strahl verringert, wobei das System (10) folgendes aufweist:
eine Teilereinrichtung zum Empfangen und Teilen des Strahls op­ tischer Strahlung in eine Vielzahl von geteilten Strahlsäulen;
eine Strahllenkeinrichtung (23), die optisch mit der Teilerein­ richtung (13) gekoppelt ist, um jede der geteilten Strahlsäulen (18) entlang eines zweiten Pfades gemeinsam zu lenken; und
eine Kompensationseinrichtung (20), die die Vielzahl von ge­ teilten Strahlsäulen (18) empfängt und Phasenunterschiede kom­ pensiert, die zwischen den einzelnen geteilten Strahlsäulen (18) vorhanden sein können.

2. Das System (10) nach Anspruch 1, bei dem die Kompensati­ onseinrichtung (20) betrieblich mit der Teilereinrichtung (13) und der Strahllenkeinrichtung (23) gekoppelt ist.

3. Das System (10) nach Anspruch 1, bei dem die Kompensati­ onseinrichtung (20) ein brechendes optisches Element ist, das eine Oberfläche hat, die größer als die Querschnittsfläche ist, die durch die geteilten Strahlsäulen (18) bedeckt ist.

4. Das System (10) nach Anspruch 1, das des weiteren eine Strahlwiedervereinigungseinrichtung aufweist, um gemeinsam die umgelenkten geteilten Strahlsäulen (18) wieder zu vereinen, um so einen vereinten Fernfeldstrahl aus optischer Strahlung be­ reitzustellen.

5. Das System (10) nach Anspruch 4, bei dem die Strahlwieder­ vereinigungseinrichtung eine Anordnung binärer Mikrolinsen ist, die gemeinsam die gelenkten geteilten Strahlsäulen (18) in einen Fernfeldstrahl fokussieren.

6. Das System (10) nach Anspruch 1, bei dem die Strahlteiler­ einrichtung (13) eine teleskopische Mikrolinsenanordnung ist, die eine erste (14) und eine zweite (16) Mikrolinsenanordnung aufweist, wobei jede Mikrolinsenanordnung (14, 16) eine Viel­ zahl von binären Mikrolinsen umfaßt.

7. Das System (10) nach Anspruch 1, bei dem die Strahllen­ keinrichtung (23) eine Mikrolinsenanordnung ist, die eine Viel­ zahl von binären Mikrolinsen (22, 24) aufweist, die gemeinsam entlang einer Ebene bewegt werden, die senkrecht zu den Strahl­ säulen (18) so verläuft, daß jede der Mikrolinsen (22, 24) eine der geteilten Strahlsäulen (18) lenkt.

8. Das System (10) nach Anspruch 6, bei dem die Strahllen­ keinrichtung (23) und die Kompensationseinrichtung (20) im we­ sentlichen rechtwinklig zu den geteilten Strahlsäulen (18) und unabhängig voneinander bewegbar sind.

9. Das System (10) nach Anspruch 1, bei dem der Strahl aus optischer Strahlung ein Laserstrahl ist.

10. Ein optisches Strahllenksystem (10), das Phasenabweichun­ gen verringert, mit:
einer Strahlteilereinrichtung (13) zum Empfangen und Teilen ei­ nes optischen Strahls in eine Vielzahl geteilter Strahlsäulen (18);
einer Strahllenkeinrichtung (23), die eine Vielzahl von Mikro­ linsen (22, 24) aufweist, die betrieblich mit der Strahlteiler­ einrichtung (13) gekoppelt sind, um die Vielzahl von geteilten Strahlsäulen (18) zu lenken;
einer lichtbrechenden optischen Kompensationseinrichtung (20), die betrieblich zwischen die Strahllenkeinrichtung (23) und die Strahlteilereinrichtung (13) eingekoppelt ist, wobei die Kom­ pensationseinrichtung (20) einen Oberflächenbereich hat, der die Vielzahl von geteilten Strahlsäulen (18) empfängt und eine Phasenkompensation zwischen den geteilten Strahlsäulen (18) be­ wirkt; und
eine Strahlwiedervereinigungseinrichtung (23), die optisch mit der Strahllenkeinrichtung (23) gekoppelt ist, um die umgelenkte Vielzahl von geteilten Strahlsäulen (18) so wieder zu vereinen, daß ein einziger Fernfeld-Ausgangsstrahl (26) bereitgestellt wird.

11. Das System (10) nach Anspruch 10, bei dem die Kompensati­ onseinrichtung (20) ein bewegliches lichtbrechendes optisches Element ist, das einen Oberflächenbereich hat, der größer ist als die durch die geteilten Strahlsäulen (18) bedeckte Fläche, wobei die Kompensationseinrichtung (20) in eine Richtung beweg­ bar ist, die im wesentlichen rechtwinklig zu den geteilten Strahlsäulen (18) verläuft.

12. Das System (10) nach Anspruch 10, bei dem die Strahllen­ keinrichtung (23) eine Mikrolinsenanordnung (22) aufweist, die eine Vielzahl von binären Mikrolinsen umfaßt, die gemeinsam entlang einer Ebene bewegbar sind, die im wesentlichen recht­ winklig zu den Strahlsäulen (18) verläuft, so daß jede der Mi­ krolinsen (22) eine der geteilten Strahlsäulen (18) lenkt.

13. Das System (10) nach Anspruch 10, bei dem jede Strahltei­ lereinrichtung (13) durch zwei binäre Mikrolinsenanordnungen (14, 16) gebildet ist, die im wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind, wobei jede Anordnung (14, 16) eine Vielzahl von binären Mikrolinsen (14a, 14b, . . ., 16a, 16b, . . .) auf­ weist.

14. Das System (10) nach Anspruch 10, bei dem der Strahl aus optischer Strahlung (12) einen Laserstrahl umfaßt.

15. Ein Lenksystem (10) zum Lenken eines Laserstrahls mit ei­ ner Teileranordnung (13) zum Teilen eines Laserstrahls (12) in eine Vielzahl von geteilten Strahlsäulen (18) und eine Lenkan­ ordnung (13) zum Umlenken einer Vielzahl von geteilten Strahl­ säulen (18) entlang eines gewünschten Pfades (26), mit:
einer beweglichen Kompensationseinrichtung (20), die betrieb­ lich zwischen die Teileranordnung (13) und die Lenkanordnung (23) eingefügt ist, um eine Phasenkompensation zwischen der Vielzahl von geteilten Strahlsäulen (18) so zu bewirken, daß der Strahl (26) kontinuierlich lenkbar ist, während er minimale Phasenabweichungen zeigt.

16. Das System (10) nach Anspruch 15, bei dem die Kompensati­ onseinrichtung (20) lichtbrechendes optisches Material auf­ weist, das entlang einer Ebene kontrolliert bewegbar ist, die im wesentlichen rechtwinklig zu den geteilten Strahlsäulen (18) verläuft.

17. Ein Verfahren zur steuerbaren Lenkung eines optischen Strahls bei Minimierung von Phasenabweichungen mit:
Empfangen eines Strahls optischer Strahlung, der entlang eines ersten Pfades gerichtet ist;
Teilen des optischen Strahls in eine Vielzahl von geteilten Strahlsäulen;
Aussenden der Vielzahl von geteilten Strahlsäulen (18) durch eine lichtbrechende optische Kompensationseinrichtung (20), um so eine Phasenkompensation zwischen der Vielzahl zwischen ge­ teilten Strahlsäulen (18) zu bewirken; und
gemeinsames Lenken jeder der geteilten Strahlsäulen (18) mit einer Mikrolinsenlenkanordnung, um so jeden Strahl entlang ei­ nes zweiten Pfades umzulenken.

18. Das Verfahren nach Anspruch 17, das des weiteren den Schritt des Wiedervereinens der gelenkten geteilten Strahlsäu­ len (18) umfaßt, um so einen einzigen optischen Fernfeldstrahl zu bilden, der sich entlang des zweiten Pfades ausrichtet.

19. Ein optisches Strahllenkungssystem (10) mit:
einer Strahlteilereinrichtung (13), wobei die Strahlteilerein­ richtung (13) eine erste Anordnung (14) von Mikrolinsen auf­ weist, die einen optischen Strahl (12) empfängt und den opti­ schen Strahl (12) in eine Vielzahl von einzelnen optischen Strahlen (18) teilt, und eine zweite Anordnung (16) von Mikro­ linsen aufweist, die die einzelnen optischen Strahlen von der ersten Anordnung (14) empfängt und eine Vielzahl von im wesent­ lichen parallelen optischen Strahlen (18) erzeugt, wobei die Mikrolinsen (14a, 14b, . . . ) in der ersten Mikrolinsenanordnung (14) optisch mit den Mikrolinsen (16a, 16b, . . . ) in der zwei­ ten Mikrolinsenanordnung (16) optisch gekoppelt sind; und
einer Strahllenk- und Wiedervereinigungsanordnung (23), wobei die Strahllenk- und Wiedervereinigungsanordnung (23) eine Strahllenk-Mikrolinsenanordnung (22) aufweist, die so angeord­ net ist, daß sie eine Vielzahl von optischen Strahlen (18) emp­ fängt, wobei die Strahllenkungs-Mikrolinsenanordnung dazu ein­ gerichtet ist, in eine Richtung bewegt zu werden, die sich im wesentlichen rechtwinklig zu dem Pfad der parallelen optischen Strahlen (18) erstreckt, um so die Umrichtung der zu lenkenden optischen Strahlen (18) zu bewirken, wobei die Strahllenkungs- und Wiedervereinigungsanordnung (23) des weiteren eine Strahl­ wiedervereinigungs-Mikrolinsenanordnung (24) aufweist, die so angeordnet ist, daß sie die gelenkten Strahlen von der Strahl­ lenkungs-Mikrolinsenanordnung (22) empfängt, wobei die Strahl­ kombinierungs-Mikrolinsenanordnung (24) die einzelnen optischen Strahlen in einem einzigen Strahl (26) in der gelenkten Rich­ tung zusammenfaßt.

20. Das System (10) nach Anspruch 19, das des weiteren eine Kompensationseinrichtung (20) aufweist, die zwischen der Strahlteileranordnung (13) und der Strahllenk- und Wiederverei­ nigungsanordnung (23) so angeordnet ist, daß die Kompensations­ einrichtung (20) die Vielzahl von einzelnen Strahlen (18) emp­ fängt und deren Phasenabweichungen kompensiert, die durch die Bewegung der Strahllenk-Mikrolinsenanordnung (23) hervorgerufen werden.

21. Das System (10) nach Anspruch 20, bei dem die Kompensati­ onseinrichtung (20) in der Richtung bewegbar ist, die sich im wesentlichen rechtwinklig zu der Vielzahl der Strahlen (18) er­ streckt.