Vorrichtung zur Homogenisierung von Licht sowie Anordnung zur Beleuchtung oder Fokussierung mit einer derartigen Vorrichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur
Homogenisierung von Licht gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 , eine Anordnung zur Beleuchtung einer Fläche gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 9 und eine Anordnung zur Fokussierung des Lichts einer Laserlichtquelle in einen linienartigen Fokusbereichs gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 13.
Eine Vorrichtung der vorgenannten Art ist aus dem US-Patent 4,733,944 bekannt. Die darin beschriebene Vorrichtung zur Homogenisierung umfasst zwei voneinander beabstandete Homogenisatormittel, wobei ein jedes der Homogenisatormittel zwei optisch funktionale Grenzflächen umfasst, durch die das zu homogenisierende Licht hindurchtritt. Auf jeder dieser vier zur Homogenisierung beitragenden Grenzflächen ist jeweils ein Array von Zylinderlinsen angeordnet. Dabei weist ein jedes der beiden voneinander beabstandeten Homogenisatormittel zwei Arrays von zueinander gekreuzten Zylinderlinsen auf. Beispielsweise ist bei einem der Homogenisatormittel auf einer Eintrittsfläche ein Zylinderlinsenarray mit Zylinderachsen in der Vertikalen und auf der Austrittsfläche ein Zylinderlinsenarray mit Zylinderachsen in der Horizontalen ausgebildet.
Mittels einer derartigen Vorrichtung zur Homogenisierung kann somit ein Laserstrahl, wie beispielsweise ein von einem Excimer-Laser ausgehender Strahl oder ein von einem Laserdiodenbarren ausgehendes Laserstrahlbündel sowohl in einer ersten Richtung als auch in einer dazu senkrechten zweiten Richtung homogenisiert werden. Beispielsweise kann bei einem Laserdiodenbarren durch eine
derartige Vorrichtung zur Homogenisierung eine Homogenisierung sowohl in der sogenannten Fast-Axis als auch in der sogenannten Slow-Axis stattfinden. Weiterhin ist die vorgenannte aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtung als sogenannte zweistufige Vorrichtung zur Homogenisierung ausgebildet, weil der zu homogenisierende Strahl in einem jeden der Homogenisatormittel eine Homogenisierung erfährt. Durch die zweistufige Ausbildung der Vorrichtung wird eine wesentlich bessere Homogenität erzielt als durch einstufige Homogenisierer.
Als nachteilig bei derartigen aus dem Stand der Technik bekannten zweistufigen Vorrichtungen zur Homogenisierung erweist sich zum einen die ausgesprochen schwierig durchführbare Justage der beiden Homogenisatormittel. Diese Homogenisatormittel müssen zueinander sehr exakt positioniert werden, wobei ein jedes der
Homogenisatormittel bezüglich insgesamt sechs Achsen exakt justiert werden muss. Weiterhin sind die Brennweiten der Zylinderlinsen der Arrays nicht frei wählbar, da für jede der beiden unabhängig voneinander homogenisierbaren Richtungen, wie beispielsweise der Slow-Axis und der Fast-Axis ein optimaler Abstand der Zylinderlinsen zueinander gegeben ist. Insbesondere reagieren zweistufige Vorrichtungen zur Homogenisierung, die in beiden zueinander unabhängigen Richtungen arbeiten, sehr empfindlich auf Brennweitenfehler der Zylinderlinsen, da in der Regel die beiden Richtungen nicht unabhängig voneinander sind.
Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Problem ist die Schaffung einer Vorrichtung der eingangs genannten Art, die einfacher justierbar ist. Weiterhin soll eine Anordnung zur Beleuchtung einer Fläche und eine Anordnung zur Fokussierung des
Lichts einer Laserlichtquelle in einen linienartigen Fokusbereich angegeben werden.
Dies wird erfindungsgemäß hinsichtlich der Vorrichtung durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 , hinsichtlich der Anordnung zur Beleuchtung einer Fläche durch eine Anordnung der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 9 und hinsichtlich einer Anordnung zur Fokussierung des Lichts einer Laserlichtquelle in einen linienartigen Fokusbereich durch eine Anordnung der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 13 erreicht. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Gemäß Anspruch 1 ist vorgesehen, dass die Zylinderachsen der Zylinderlinsen des mindestens einen Homogenisatormittels parallel zueinander ausgerichtet sind. Das mindestens eine als beispielsweise
Substrat ausgebildetes Homogenisatormittel erfüllt somit die Funktion eines zweistufigen Homogenisierers. Beispielsweise bei der Homogenisierung des von einem Laserdiodenbarren ausgehenden Laserlichtes wirkt somit ein Homogenisatormittel auf eine Achse beziehungsweise eine Richtung also beispielsweise nur auf die Slow-
Axis oder nur auf die Fast-Axis.
Gemäß Anspruch 2 besteht die Möglichkeit, dass die Vorrichtung ein erstes Homogenisatormittel und ein zweites Homogenisatormittel umfasst, die jeweils eine Eintrittsfläche und eine Austrittsfläche für das zu homogenisierende Licht aufweisen. Dabei kann gemäß Anspruch 3 vorgesehen sein, dass das erste Homogenisatormittel jeweils ein Array von Zylinderlinsen auf der Eintrittsfläche oder in der Nähe der Eintrittsfläche und ein Array von Zylinderlinsen auf der Austrittsfläche oder in der Nähe der Austrittsfläche aufweist, deren
Zylinderachsen parallel zueinander ausgerichtet sind.
Gemäß Anspruch 4 kann vorgesehen sein, dass das zweite Homogenisatormittel ein Array von Zylinderlinsen auf der Eintrittsfläche oder in der Nähe der Eintrittsfläche oder ein Array von Zylinderlinsen auf der Austrittsfläche oder in der Nähe der Austrittsfläche aufweist. Alternativ kann gemäß Anspruch 5 vorgesehen sein, dass das zweite Homogenisatormittel jeweils ein Array von Zylinderlinsen auf der Eintrittsfläche oder in der Nähe der Eintrittsfläche und ein Array von Zylinderlinsen auf der Austrittsfläche oder in der Nähe der Austrittsfläche aufweist, deren Zylinderachsen parallel zueinander ausgerichtet sind.
Insbesondere kann gemäß Anspruch 6 vorgesehen sein, dass die Zylinderachsen der Zylinderlinsen der ersten Homogenisatormittel senkrecht zu den Zylinderachsen der Zylinderlinsen der zweiten Homogenisatormittel ausgerichtet sind. Auf diese Weise werden die beiden Richtungen beziehungsweise Achsen des Laserlichtes getrennt voneinander in den beiden insbesondere voneinander beabstandeten Homogenisatormitteln homogenisiert. Die beiden Homogenisatormittel müssen nicht mehr zueinander justiert werden, weil die Justage der beispielsweise auf eine der beiden Achsen einwirkenden
Zylinderlinsen durch die jederzeit innerhalb der Fertigungstoleranzen reproduzierbare Fertigung des Homogenisatormittels erreicht wird. Auf diese Weise sind die Strahleigenschaften im Rahmen der vorgenannten Fertigungstoleranzen immer dieselben. Weiterhin findet keine Beeinflussung der beiden Achsen, wie beispielsweise der Slow-
Axis und der Fast-Axis bei einem Halbleiterlaserbarren, durch Brennweitentoleranzen der jeweils anderen Strahlachse statt. Weiterhin besteht die Möglichkeit, bei der Homogenisierung des Laserlichtes hinsichtlich beider Achsen die Brennweiten der Zylinderlinsen für eine jede der Achsen frei und unabhängig von der jeweils anderen Achse zu wählen.
Gemäß Anspruch 7 besteht weiterhin die Möglichkeit, dass die Brennebenen der auf der Austrittsfläche oder in der Nähe der Austrittsfläche angeordneten Zylinderlinsen in der Eintrittsfläche oder in der Nähe der Eintrittsfläche angeordnet sind. Auf diese Weise wird die Homogenisierung des zu homogenisierenden Lichtes optimiert.
Gemäß Anspruch 8 kann vorgesehen sein, dass die Zylinderlinsen als konkave und/oder als konvexe Linsen oder als GRIN-Linsen (Gradientenindex-Linsen) ausgebildet sind.
Gemäß Anspruch 9 ist vorgesehen, dass die in der Anordnung verwendete Vorrichtung eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Homogenisierung ist.
Gemäß Anspruch 13 ist vorgesehen, dass die in der Anordnung zur
Fokussierung verwendete Vorrichtung ebenfalls eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Homogenierung ist.
Dabei kann gemäß Anspruch 14 insbesondere vorgesehen sein, dass die Vorrichtung zur Homogenisierung derart gestaltet ist, dass sie das
Laserlicht nur hinsichtlich der Slow-Axis-Richtung homogenisiert.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Darin zeigen
Fig. 1 a eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Anordnung zur Beleuchtung;
Fig. 1 b eine Seitenansicht der Anordnung gemäß Fig. 1 a;
Fig. 2a eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Anordnung zur Fokussierung;
Fig. 2b eine Seitenansicht der Anordnung gemäß Fig. 2a;
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
In einigen der Figuren sind zur besseren Übersichtlichkeit kartesische Koordinatensysteme eingezeichnet.
Wie aus Fig. 1 a und Fig. 1 b ersichtlich ist, umfasst eine erfindungsgemäße Anordnung einen Halbleiterlaserbarren 1 , der eine Anzahl von in X-Richtung nebeneinander und beabstandet zueinander angeordneter Emittern aufweist. Der Halbleiterlaserbarren 1 ist in Fig.
1 a, Fig. 1 b Fig. 2a und Fig. 2b lediglich schematisch durch ein Rechteck dargestellt. Bei Halbleiterlaserbarren ist die Divergenz in der sogenannten Fast-Axis, d. h. in der Y-Richtung oder der Richtung senkrecht zu der Richtung, in der die Emitter nebeneinander angeordnet sind, deutlich größer als in der sogenannten Slow-Axis bzw. der X-Richtung.
Aus Fig. 1 a und Fig. 1 b ist ersichtlich, dass sich in Ausbreitungsrichtung Z des aus den einzelnen Emittern des Halbleiterlaserbarrens 1 austretenden Laserlichtes an den Halbleiterlaserbarren 1 Fast-Axis-Kollimationsmittel 2 anschließen. Die Fast-Axis-Kollimationsmittel 2 sind beispielsweise als plankonvexe Zylinderlinse ausgebildet, deren Zylinderachse sich in X- Richtung erstreckt. Durch eine derartige Zylinderlinse kann das aus den einzelnen Emittern austretende Laserlicht hinsichtlich der Y- Richtung bzw. hinsichtlich der Fast-Axis beugungsbegrenzt kollimiert werden. Um dies zu erreichen, kann die als Fast-Axis-
Kollimationsmittel 2 dienende Zylinderlinse eine asphärische Oberfläche aufweisen. Anstelle der abgebildeten Zylinderlinse, die lediglich auf ihrer Austrittsweise eine konvexe Krümmung aufweist, kann auch eine Zylinderlinse mit einer konvex gekrümmten Eintrittsseite verwendet werden. Alternativ dazu besteht auch die
Möglichkeit, sowohl die Eintrittsseite als auch die Austrittsseite konvex und/oder konkav zu krümmen.
In Ausbreitungsrichtung Z schließen sich an die Fast-Axis- Kollimationsmittel 2 Strahltransformationsmittel 3 an. In den
Strahltransformationsmitteln 3 wird das einfallende Licht um einen Winkel von 90° rotiert beziehungsweise die Divergenz der Fast-Axis (Y-Richtung) mit der der Slow-Axis (X-Richtung) getauscht, so dass nach dem Austritt aus den Strahltransformationsmitteln 3 die Divergenz in Y-Richtung größer ist als die Divergenz in X-Richtung.
Bei den Strahltransformationsmitteln 3 kann es sich um einen im wesentlichen quaderförmigen Block aus einem transparentem Material handeln, auf dem sowohl auf der Eintrittsseite als auch auf der Austrittsseite eine Anzahl von als Strahltransformationselementen dienenden Zylinderlinsensegmenten parallel zueinander angeordnet ist. Die Achsen der Strahltransformationselemente können dabei mit
der Basisseite der quaderförmigen Strahltransformationsmittel 3, die in X-Richtung verläuft, einen Winkel α von 45° einschließen.
In Ausbreitungsrichtung Z des Laserlichtes schließen sich an die Strahltransformationsmittel 3 weitere Kollimationsmittel 4 an, so dass beispielsweise ein Strahl von 10 mm x 10 mm mit Divergenz in Y- Richtung von etwa 1 1 mrad und Divergenz in X-Richtung von etwa 3 mrad erreicht werden kann. Die Zahlenwerte für Divergenz und Strahldurchmesser beziehen sich auf die volle Breite des Strahles bei der Hälfte der maximalen Intensität (FWHM). Die Kollimationsmittel 4 sind als plankonvexe Zylinderlinse mit sich in X-Richtung erstreckender Zylinderachse ausgebildet. Aufgrund der Drehung des Laserlichtes in den Strahltransformationsmitteln 3 haben somit die Kollimationsmittel 4 die gleiche Ausrichtung wie die Fast-Axis- Kollimationsmittel 2. Ebenso wie die Fast-Axis-Kollimationsmittel 2 können auch die Kollimationsmittel 4 anders gestaltet werden. Insbesondere können sowohl Eintritts- als auch Austrittsfläche mit einer konvexen und/oder konkaven Krümmung versehen werden.
In Ausbreitungsrichtung Z schließen sich an die Kollimationsmittel 4 erste Homogenisatormittel 5 und daran anschließend zweite Homogenisatormittel 6 an. Die Homogenisatormittel 5 weisen auf ihrer Eintrittsfläche 7 ein Array von Zylinderlinsen 9 auf, deren Zylinderachsen sich in X-Richtung erstrecken (siehe dazu auch Fig. 3). Weiterhin weisen die ersten Homogenisatormittel 5 auf ihrer
Austrittsfläche 8 ein Array von Zylinderachsen 9 auf, deren Zylinderachsen sich ebenfalls in X-Richtung erstrecken. Durch die Zylinderlinsenarrays auf der Eintritts- und Austrittsfläche 7, 8 der ersten Homogenisatormittel wird das durch die ersten Homogenisatormittel 5 hindurchgetretene Laserlicht sehr effektiv in Y-
Richtung miteinander überlagert. Durch diese effektive Überlagerung, die aus Fig. 1 b durch die hinter den ersten Homogenisatormitteln 5
ersichtlichen Fokusbereiche verdeutlicht ist, kann eine Homogenisierung des Laserlichtes in Y-Richtung erreicht werden.
In Strahlausbreitungsrichtung Z hinter den ersten Homogenisatormitteln 5 umfasst die Anordnung zweite
Homogenisatormittel 6. Diese zweiten Homogenisatormittel 6 weisen auf ihrer Eintrittsfläche 7 und auf ihrer Austrittsfläche 8 jeweils ein Zylinderlinsenarray mit Zylinderlinsen 9 auf, die sich in Y-Richtung erstrecken (siehe dazu auch Fig. 3). Durch die Zylinderlinsenarrays auf der Eintritts- und Austrittsfläche 7, 8 der zweiten
Homogenisatormittel 6 wird das durch die zweiten Homogenisatormittel 6 hindurchgetretene Laserlicht sehr effektiv in X- Richtung miteinander überlagert. Durch diese effektive Überlagerung, die aus Fig. 1 a durch die hinter den zweiten Homogenisatormitteln 6 ersichtlichen Fokusbereiche verdeutlicht ist, kann eine
Homogenisierung des Laserlichtes in X-Richtung erreicht werden.
Die Vorrichtung zur Homogenisierung umfasst dabei die ersten und die zweiten Homogenisatormittel 5, 6. Insgesamt wird somit in der erfindungsgemäßen Vorrichtung das Laserlicht in zwei Richtungen oder Achsen homogenisiert, wobei die zweite Stufe nur auf die X- Richtung wirkt und die erste Stufe nur auf die Y-Richtung.
Die Zylinderlinsen 9 der Homogenisatormittel 5, 6 können als konvexe (siehe beispielsweise Fig. 3) und/oder als konkave Zylinderlinsen ausgebildet sein. Alternativ dazu besteht die Möglichkeit, die Zylinderlinsen als GRIN-Linsen (Gradientenindex-Linsen) auszubilden. In diesem Fall sind die Zylinderlinsen nicht auf der Eintritts- oder Austrittsfläche angeordnet sondern in der Nähe der Eintritts- oder Austrittsfläche im Inneren des jeweils die
Homoganisatormittel 5, 6 bildenden Substrats durch einen sich ändernden Brechungsindex des Substrats ausgebildet.
Aus den zweiten Homogenisatormitteln 6 tritt das Laserlicht weitestgehend homogenisiert aus und kann zur Ausleuchtung einer von der Vorrichtung entfernten Fläche verwendet werden.
Die in Fig. 2a und Fig. 2b abgebildete Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung umfasst ebenfalls einen Halbleiterlaserbarren 1 mit einer Mehrzahl von Emittern.
Die Anordnung umfasst weiterhin Fast-Axis-Kollimationsmittel 2, die wie die Fast-Axis-Kollimationsmittel 2 gemäß Fig. 1 a und Fig. 1 b ausgebildet sein können. Es kann dabei vorgesehen sein, den Abstand zwischen dem Halbleiterlaser und den Fast-Axis- Kollimationsmitteln 2 vergleichsweise groß zu wählen, so dass das Laserlicht in Y-Richtung nach dem Hindurchtritt durch die Fast-Axis-
Kollimationsmittel 2 eine vergleichsweise große Ausdehnung aufweist.
In Strahlrichtung hinter den Fast-Axis-Kollimationsmitteln 2 umfasst die erfindungsgemäße Anordnung Slow-Axis-Kollimationsmittel 10, die in dem abgebildeten Ausführungsbeispiel als Array von Zylinderlinsen auf der Eintritts- und der Austrittsseite der Slow-Axis- Kollimationsmittel 10 ausgebildet sind. Die Zylinderachsen der Zylinderlinsen der Slow-Axis-Kollimationsmittel 10 erstrecken sich dabei in Y-Richtung. Insbesondere können die Slow-Axis- Kollimationsmittel derart angeordnet sein, dass in jede der
Zylinderlinsen auf der Eintrittsseite einer der von jeweils einem der Emitter ausgehenden Teilstrahlen des Laserlichtes eintritt. Jeder dieser Teilstrahlen wird von den entsprechenden Zylinderlinsen hinsichtlich der Slow-Axis beziehungsweise hinsichtlich der X- Richtung kollimiert.
Die in Fig. 2a und Fig. 2b abgebildete Ausführungsform der Slow- Axis-Kollimationsmittel 10 stellt eine Teleskopanordnung dar. Es besteht aber auch die Möglichkeit, die Slow-Axis-Kollimationsmittel 10 als ein nur an einer Seite, beispielsweise der Eintrittsseite oder der Austrittsseite angeordnetes Array von Zylinderlinsen auszuführen.
Weiterhin besteht die Möglichkeit, mehr als zwei optisch funktionale, insbesondere gekrümmte zylinderlinsenähnliche Flächen für das Slow-Axis-Kollimationsmittel 10 zu verwenden.
Die in Fig. 2a und Fig. 2b abgebildete Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung umfasst weiterhin in Ausbreitungsrichtung hinter den Slow-Axis-Kollimationsmitteln 10 Homogenisatormittel 6. Diese Homogenisatormittel 6 entsprechen hinsichtlich ihres Aufbaus genau den zweiten Homogenisatormitteln 6 der Anordnung gemäß Fig. 1 a und Fig. 1 b. Die Achsen der
Zylinderlinsen 9 auf der Eintrittsfläche 7 und der Austrittsfläche 8 erstrecken sich dabei in Y-Richtung, so dass durch die Zylinderlinsen 9 die Laserstrahlung 3 nur hinsichtlich der Slow-Axis-Richtung beeinflusst wird.
Durch den Hindurchtritt durch die Zylinderlinsen 9 der Homogenisatormittel 6 werden die einzelnen Teilstrahlen des Laserlichtes sehr effektiv in Slow-Axis-Richtung beziehungsweise in X-Richtung miteinander überlagert. Das aus den Homogenisatormitteln 6 austretende Laserlicht kann von in
Ausbreitungsrichtung Z hinter den Homogenisatormitteln 6 angeordneten Fokussiermitteln 1 1 fokussiert werden. In dem abgebildeten Ausführungsbeispiel sind die Fokussiermittel 1 1 als rotationssymmetrische plankonvexe Linse ausgebildet. Die Fokussiermittel 1 1 können auch durch andere Gestaltungen gebildet sein, beispielsweise durch eine bikonvexe Linse oder durch mehrere zusammenwirkende Linsen. Diese Linse kann die Laserstrahlung 10
hinsichtlich der Fast-Axis beziehungsweise der Y-Richtung fokussieren und gleichzeitig als Feldlinse für die nur auf die Slow-Axis beziehungsweise X-Richtung wirkenden Homogenisatormittel 6 dienen. Dabei kann praktischer Weise der Fokus der als Fokussiermittel 1 1 dienenden Linse hinsichtlich der Fast-Axis in einer
Ebene liegen, in der das Feld des Laserlichtes in Slow-Axis-Richtung durch die als Feldlinse dienende Linse homogenisiert ist.
In Fig. 2a und Fig. 2b ist die durch die Homogenisatormittel 10 hindurchgetretene Laserstrahlung lediglich unstrukturiert dargestellt.
Durch jede der Zylinderlinsen 9 wird jedoch das durch sie hindurchtretende Licht in eine Vielzahl unterschiedlicher Richtungen gebrochen. Durch die als Fokussiermittel 1 1 beziehungsweise Feldlinse dienende plankonvexe sphärische Linse wird ein jeder unter dem gleichen Winkel auf die Feldlinse auftreffender Teilstrahl in einem linienartigen Fokusbereich an die gleiche Stelle abgelenkt, so dass die aus einzelnen Teilstrahlen des ursprünglichen Laserlichtes entstammenden Anteile des Laserlichtes in dem Fokusbereich gleichmäßig über dessen Breite in X-Richtung beziehungsweise in Slow-Axis-Richtung verteilt sind.
Die Fokussiermittel 1 1 fokussieren das Laserlicht in einen linienartigen Fokusbereich, der sich in X-Richtung erstreckt und in Y- Richtung eine sehr geringe Ausdehnung aufweist. Es besteht beispielsweise die Möglichkeit, dass die Ausdehnung des
Fokusbereichs in Y-Richtung beziehungsweise in Fast-Axis-Richtung kleiner ist als 1 mm oder kleiner ist als 0,5 mm. Weiterhin besteht die Möglichkeit, dass die Breite des linienartigen Fokusbereichs in X- Richtung beziehungsweise in Slow-Axis-Richtung größer ist als 5 mm oder größer ist als 20 mm. Der Abstand d zwischen der Austrittsfläche der Fokussiermittel 1 1 und dem linienartigen Fokusbereich kann
vergleichsweise groß sein, beispielsweise größer als 50, insbesondere größer als 200 mm.