WO1997003377A1 - Device for representing a rotationally symmetrical gaussian intensity distribution in the cross-section of a radiation beam - Google Patents

Device for representing a rotationally symmetrical gaussian intensity distribution in the cross-section of a radiation beam Download PDF

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WO1997003377A1
WO1997003377A1 PCT/EP1996/002979 EP9602979W WO9703377A1 WO 1997003377 A1 WO1997003377 A1 WO 1997003377A1 EP 9602979 W EP9602979 W EP 9602979W WO 9703377 A1 WO9703377 A1 WO 9703377A1
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intensity distribution
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gaussian
transmission
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Hartmut Ehbets
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Leica Ag
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    • G02B27/0911—Anamorphotic systems

Definitions

  • the invention relates to a device for converting a divergent
  • a beam with a rotationally symmetrical, Gaussian intensity distribution is required in many areas of application of measurement technology.
  • a collimated beam of this type the direction of tunneling machines for tunneling and mining or for traffic route construction is controlled.
  • Such beams are also required for building surveying for alignment purposes.
  • tubes are used in tube and
  • Pipeline construction aligned In the applications mentioned, the beam is projected onto a surface which is connected to the tunneling machines or the pipes and on which the center of the beam is determined.
  • the surface can be a CCD sensor array with connected data processing or, in the simple case, a radiation-scattering surface with a cross-hair on which the beam is aligned and observed.
  • deviations from the target direction are determined and measured.
  • Intensity distribution remains Gaussian regardless of the distance to the radiation source.
  • the maximum intensity is always on the axis of the beam. Due to the rotational symmetry of the intensity distribution in the beam cross-section, the accuracy of the determination of the bundle center is also the same in every radial direction and is therefore independent of the orientation of the beam cross-section.
  • the helium-neon laser is a light source that already emits a beam of rays with a rotationally symmetrical Gaussian profile. That is why the HeNe laser is widely used in construction. However, a high operating voltage must be provided for the HeNe laser. It also has a high energy consumption, is bulky and bulky compared to modern electronics due to its volume and weight and is associated with high costs.
  • the semiconductor laser diodes also emit a Gaussian intensity distribution.
  • this intensity distribution in the beam cross section is not rotationally symmetrical.
  • the diameter of the beam cross-section does not remain nearly constant in the direction of propagation of the beam, as is the case with the HeNe laser.
  • the semiconductor laser diodes emit a strongly divergent beam with an elliptical cross section. On the one hand, this means that within such an elliptical beam cross-section, the intensity drops from the beam axis of the beam beam to its edge, but with different half-value widths, depending on the line of observation, perpendicularly through the beam axis of the beam beam.
  • the ratio of the intensity half-widths across the two ellipse axes can vary between 1: 2 and 1: 7 depending on the laser diode.
  • the divergence of the beam is relatively large. It can be, for example, 8 ° in the small e-hips axis, ie parallel to the junction plane of a semiconductor crystal, and is perpendicularly large, depending on the ratio of the ellipse axes mentioned.
  • the divergence of a beam is generally reduced to such an extent with the aid of collimation optics that an approximately parallel beam is created.
  • an anamorphic pair of prisms that can be viewed as a beam expander for a cutting plane.
  • Two wedge-shaped prisms are set at a certain angle to each other and their cutting plane is aligned parallel to the small ellipse axis of the radiation from the semiconductor laser diode.
  • the diameter of the beam cross section of the small ellipse axis is widened until it corresponds to the beam diameter of the large ellipse axis unaffected by this measure.
  • the bundle axis of the beam is laterally offset.
  • the beam expansion must be set to different degrees for each semiconductor laser diode, which means that the offset of the bundle axis is also different for each laser diode. This is disadvantageous for a directional device and would have to be corrected additionally.
  • the prisms require a highly efficient anti-reflection layer.
  • tight tolerance limits in the positioning of the prisms with one another must be observed in order to keep the enlargement of the beam expansion at the desired value.
  • An anamorphic image can also be achieved with two cylindrical lenses, as with the anamorphic pair of prisms.
  • the optical axis is preserved here so that the beam is not offset laterally.
  • US 3,396,344 it is proposed in the parallel Beam path to insert two cylindrical lenses after the collimator, one of which has a short focal length and the other a long focal length. Plane cylindrical lenses are used, which, however, require a large length of the optical structure.
  • a compact construction is possible through the use of optical components that are cylindrical on both sides. However, these are extremely difficult to manufacture and are accordingly expensive.
  • WO 90/13054 discloses two elements with a cylindrical refractive power for changing the shape of the beam cross-section of light beams, which are emitted in particular by laser diodes, the cylinder axes of which enclose an angle for which only a limited range applies and also for the focal lengths thereof restricted area applies and which form an afocal system.
  • the astigmatism of the laser diode is compensated for by the adjustable distance of the cylindrical lenses in the direction of the optical axis. Since diffraction-limited lenses are used, the remaining aberrations that can be determined in the point image are caused by diffraction phenomena.
  • One way of generating a rotationally symmetrical and at the same time Gaussian intensity distribution is to couple the radiation from the semiconductor laser diode into a single-mode fiber.
  • Such an optical fiber only passes on the basic mode of light. Therefore, their core diameter must be very small.
  • For single-mode fibers it is only a few ⁇ m for the visible range of light, e.g. 4.6 ⁇ m for the single-mode fiber SK 9660 from Shufter and Kirchhoff, Hamburg.
  • the injected light emerges divergently at the end of the fiber.
  • the Intensity distribution across the direction of propagation is rotationally symmetrical and Gaussian.
  • due to the small core diameter of such a fiber the coupling of the laser diode radiation is difficult.
  • a disadvantage of coupling the laser diode light into this small fiber diameter is also the high sensitivity to temperature and vibration.
  • a mechanical shock effect can easily adjust the state of the coupling. Due to the expensive, complicated and sensitive internal structure, such a device is less suitable for tough demands in the field.
  • Beam in its direction of propagation with changes in temperature or after mechanical vibration and shock with small dimensions and simple structure that can be done inexpensively.
  • This object is achieved in that a transmission filter with mirror-symmetrical, outwardly Gaussian decreasing transmission is arranged in the divergent beam and that the mirror axis of the transmission filter is in register with the small ellipse axis of the beam.
  • the device according to the invention uses a beam with an intensity distribution that is elliptically symmetrical in cross section.
  • the symmetry of the beam cross section is determined by the ellipse axes.
  • the intensity distribution is mirror-symmetrical to the two ellipse axes.
  • the intensity should decrease from the bundle axis in a Gaussian shape.
  • Intensity distribution is shown, for example, by semiconductor laser diodes, whose beams are also divergent.
  • the transmission filter is arranged with a mirror-symmetrical transmission that decreases towards the outside in a Gaussian shape.
  • the mirror axis of the transmission filter is normally aligned so that it overlaps the small ellipse axis of the radiation distribution in the cross-section of the beam.
  • the transmission filter is generally shifted in the direction of the bundle axis until the desired rotationally symmetrical intensity distribution is generated. Given this distance between the transmission filter and the semiconductor laser diode, the full width at half maximum of the mathematical function at the location of the transmission filter results from the product of the intensity distribution on the large ellipse axis of the
  • Beam bundle with the transmission curve of the transmission filter results, equal to the full width at half maximum of the intensity distribution on the small ellipse axis of the beam bundle.
  • One way of realizing the transmission course of the transmission filter described is to use absorbent materials.
  • photographic materials can be used, for example, or a metal layer can be evaporated on a carrier plate.
  • the carrier plate itself is transparent to the radiation used.
  • the thickness of the metal layer is distributed in mirror symmetry and increases with increasing distance from the mirror axis in such a way that the transmission of the radiation decreases in a Gaussian shape.
  • the elliptically symmetrical beam of rays is converted into the desired rotationally symmetrical, outwardly Gaussian intensity distribution.
  • the subsequent parallel alignment of the divergent beam is usually carried out with a coliimator lens.
  • the transmission filter is to use a diffractive filter. Diffractive properties are used instead of radiation-absorbing properties.
  • the diffractive filter can be implemented by a diffraction grating, the light that passes through the grating without diffraction being given a Gaussian intensity distribution. The diffracted light is hidden. The transmitted radiation thus shows in
  • Beam cross-section a mirror-symmetrical, outward gaussian gradient of intensity with an incident beam with a homogeneous intensity distribution. If the incident beam has a Gaussian intensity distribution that is elliptically symmetrical in cross section, then this is through the diffractive filter with a suitable alignment is converted into a rotationally symmetrical, Gaussian intensity distribution.
  • the Gaussian transmission curve of the transmission filter also has a special effect. It is generally known from optics that the limitation of a radiation incident in an optical system by the entrance pupil, which is given by holding devices for the optical components or by an aperture, produces diffraction phenomena. It is also known that by reducing the intensity towards the limitation of the entrance pupil, the diffraction phenomena can be reduced and can even be eliminated if the intensity curve is suitable. If the pupil function falls sufficiently gaussian to the boundaries, a point image function results which is somewhat broadened but has no secondary maxima due to diffraction. The point image function is then also Gaussian, since it arises from the pupil function by Fourier transformation. The elimination of diffraction phenomena, that is to say the elimination of diffraction-related secondary maxima in the point image by adapting the pupil function in the entrance pupil is called apodization, and correspondingly acting filters are accordingly called apodization filters.
  • the device according to the invention also has an apodizing effect due to its transmission profile. However, it is not arranged in the entrance pupil of an optical system, for example the collimator optical system. Rather, it is arranged in the divergent beam path of the radiation source - or possibly also in a convergent beam path. As already described, the mirror axis of the mirror-symmetrical transmission curve is overlapped with the small ellipse axis of the intensity distribution in the beam cross section, and the half-value width of the transmission curve is adapted to the half-value width of the intensity curve of the radiation along the small ellipse axis.
  • FIG. 1b shows the Gaussian course of the transmission of the device corresponding to FIG. 1a
  • 1 c shows a schematic representation of a transmission filter with absorbent materials of location-dependent different thicknesses
  • FIGS. 2a and 2b shows the intensity distribution from the combination of the objects from FIGS. 2a and 2b
  • FIG. 3 shows a schematic representation of the arrangement of the object of the invention in the beam path.
  • FIG. 1a shows schematically an embodiment of a transmission filter 1 with absorbent materials.
  • Lines L of constant transmission and their alignment in cross-section of an elliptical beam are shown.
  • the cross section of the elliptical beam is characterized by the ellipses E 1 t E 2 , E 3 , each with a constant radiation intensity.
  • the intensity is maximum at the intersection of the small ellipse axis a with the large ellipse axis b, that is to say on the bundle axis 2.
  • the intensity drops from the bundle axis 2 to the outside in a Gaussian shape.
  • the small ellipse axis a is aligned parallel to the y axis and the large ellipse axis b is aligned parallel to the x axis.
  • the absorbent materials of the transmission filter 1 absorb and reflect the radiation more with increasing distance from the small ellipse axis a. This is to be illustrated schematically in FIG. 1a by the line density of the lines L T , L 2 , L 3 , U, U, U, L 7 , L 8 , each with a constant transmission.
  • the lines of constant transmission run parallel to the small ellipse axis a.
  • Compression of the lines U to L 8 at a greater distance from the small ellipse axis a means a decreasing transmission of the radiation.
  • the transmission decreases continuously and according to a Gaussian function.
  • the transmission is maximum on the mirror axis 3.
  • the mirror axis 3 of the mirror-symmetrical transmission profile of the transmission filter 1 overlaps with the small ellipse axis a of the beam distribution.
  • Fig. 1 b corresponding to Fig. 1a, the Gaussian transmission of the transmission filter 1 is shown as a function of the location x.
  • Hw is the full width at half maximum of the transmission curve.
  • All absorbent materials can be used with which the required transmission curve for the radiation used can be generated.
  • carrier plates 1a which are transparent to the desired radiation can be vapor-coated with metal 1b.
  • the vapor deposition is controlled in such a way that a continuously increasing layer thickness is generated starting from the mirror axis 3.
  • the layer thickness increases in such a way that a continuous, Gaussian transmission curve is ensured. Since the layer thickness distribution is mirror-symmetrical to the mirror axis 3, it is also the transmission curve of the vapor-coated carrier plate 1a.
  • phase differences When using certain absorbent materials, it can happen that occurring phase differences have a disruptive effect due to the different material thicknesses.
  • an additionally applied transmissive layer 1c with a corresponding location-dependent thickness or a support plate 1a adapted from the outset with a corresponding thickness profile can compensate for the phase differences.
  • photographic or optical materials such as photographic films or gray filters
  • film thickness constant material thickness
  • Another embodiment of the transmission filter 1 according to the invention is a diffractive filter.
  • This can be achieved, for example, by a diffraction grating with a small grating constant (approx. 1 ⁇ m), in which the filling factor of the period varies from the center to the edge in such a way that the light that passes through the grating without diffraction receives a Gaussian intensity distribution.
  • the light diffracted into the first diffraction order and into higher diffraction orders is faded out in the housing of the collimator and separated from the Gaussian bundle.
  • the diffraction grating can be designed as an amplitude grating or a phase grating.
  • an amplitude grating is shown schematically in cross section with alternating light-transmitting areas 20 and light-blocking areas 21.
  • the filling factor of the period is the ratio of the size of the light-transmitting area 20 to the total size of light-transmitting area 20 and light-blocking area 21 within a period. This fill factor of the period decreases from 1 in the axis of symmetry 3 to less than 0.01 at the edge of the diffraction grating.
  • a phase grating is shown schematically in cross section with recessed areas 30 which alternate with areas 31 of the original surface.
  • the different optical paths due to the different refractive index in the regions 30 and 31 cause a phase shift of adjacent light beams.
  • the fill factor of the period decreases from 1 in the symmetry axis 3 to 0.5 at the edge of the phase grating.
  • FIG. 2a The effect of such diffractive filters or the absorbing and reflecting materials described above on the transmission of an incident beam of rays can be seen in the sequence of figures in FIG.
  • the illustration in FIG. 2a has been expanded by one dimension compared to that in FIG. 1b.
  • the transmission of the transmission filter 1 is plotted as a function of the location (x, y).
  • the Gaussian transmission curve In the x direction, the Gaussian transmission curve is the same for all y values.
  • the lines of the same transmission are parallel to the y-axis.
  • Fig.2b is the Intensity distribution in the far field of radiation from a semiconductor laser diode 5 is shown. It is an example of a Gaussian, elliptical intensity distribution.
  • the small ellipse axis a is parallel to the y axis. If a beam with such an intensity distribution with the orientation shown in the xy coordinate system falls on the transmission filter 1 with the transmission shown in FIG. 2a and the small ellipse axis a overlaps with the mirror axis 3, then at a suitable distance between the transmission filter 1 and the Semiconductor laser diode 5 generates a rotationally symmetrical, Gaussian radiation distribution. This is shown in Fig.2c.
  • the radiation power of today's semiconductor laser diodes 5 is so great that the radiation loss through the transmission filter 1 does not play a decisive role.
  • the radiation power generally has to be reduced anyway to the permissible limit values according to the legal regulations on the use of laser radiation.
  • semiconductor laser diodes 5 also show a beam divergence, as is shown schematically with the beam 6 in FIG. Because of this divergence, the full width at half maximum of the intensity distribution in the beam cross section changes with the distance from the semiconductor laser diode 5. Therefore, in the case of such a beam bundle 6 and with a predetermined transmission filter 1, the location at which the transmission filter 1 is introduced into the beam path is determined on the basis of its half widths got to. This location varies individually for each semiconductor laser diode 5, because the beam divergence of semiconductor laser diodes 5 is not constant due to their manufacturing process. Therefore, it makes sense that the transmission filter 1 or the semiconductor laser diode 5 is adjustable in the direction of the bundle axis 2.
  • the half-width of the Transmission filter 1 must be adapted to the radiation characteristics of the semiconductor laser diode 5. Such coordination must also take place in the case of an elliptical beam already aligned in parallel.
  • the transmission filter 1 can also be rotatable about the bundle axis 2 so that its mirror axis 3 can still be aligned with the small ellipse axis a of the beam 6 even after installation. After the radiation has passed through the transmission filter 1, the rotationally symmetrical, Gaussian, but still divergent beam 7 is shaped by a collimator lens 10 to form an approximately parallel beam 8.
  • the transmission filter 1 is of robust construction, because the absorbent coating adheres firmly to its carrier plate and, in the case of a diffractive filter, the diffractive structures are introduced, for example etched, into the carrier plate. Thus, temperature changes as well as mechanical vibrations and shock loads have no influence on the beam-shaping properties of the transmission filter 1. It has small dimensions in a similar order of magnitude to the housing of the semiconductor laser diode 5, because it is introduced into the divergent laser beam 6 and not into the entrance pupil of the collimator lens 10 with its considerably larger diameter. Thus, only a small area has to be precisely machined during manufacture, which is considerably simpler and also less expensive.

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Abstract

A device is disclosed for transforming a divergent radiation beam with an elliptically symmetrical gaussian intensity distribution in its cross-section, in which intensities decrease outwards from the beam axis, into a radiation beam with a rotationally symmetrical gaussian intensity distribution in its cross-section, in which the intensities decrease outwards. Mirror symmetrical filters with a space-dependent gaussian transmission curve are used for that purpose. The centre of a radiation beam that falls on a surface may thus be quickly and unambiguously determined for measurement purposes, even in the presence of diffused light. In addition, the high temperature and vibration stability of the device allow it to be used without problems in the field.

Description

Vorrichtung zur Darstellung einer rotationssymmetrischen, gaußförmigen Intensitätsverteilung im Strahlenquerschnitt eines Strahlenbündels Device for displaying a rotationally symmetrical, Gaussian intensity distribution in the beam cross section of a beam
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umwandlung eines divergentenThe invention relates to a device for converting a divergent
Strahlenbündels mit im Querschnitt elliptischsymmetrischer, von der Bündelachse nach außen gaußförmig abfallender Intensitätsverteilung in ein Strahlenbündel mit im Querschnitt rotationssymmetrischer, von der Bündeiachse nach außen gaußförmig abfallender Intensitätsverteilung.Beam bundle with an elliptically symmetrical cross-sectional intensity distribution that falls gaussian from the bundle axis into a bundle of rays with a rotationally symmetrical cross-section intensity distribution that falls outward from the bundle axis.
In vielen Anwendungsbereichen der Vermessungstechnik wird ein Strahlenbündel mit einer rotationssymmetrischen, gaußförmigen Intensitätsverteilung gefordert. Mit einem kollimierten Strahlenbündel dieser Art wird die Richtung von Vortriebsmaschinen für den Tunnel- und Bergbau oder für den Verkehrswegebau gesteuert. Ebenso werden solche Strahlenbündel für die Bauvermessung zu Ausrichtungszwecken benötigt. So werden beispielsweise mit Hilfe eines Strahlenbündels Rohre beim Rohr- undA beam with a rotationally symmetrical, Gaussian intensity distribution is required in many areas of application of measurement technology. With a collimated beam of this type, the direction of tunneling machines for tunneling and mining or for traffic route construction is controlled. Such beams are also required for building surveying for alignment purposes. For example, with the help of a beam of rays, tubes are used in tube and
Pipelinebau ausgerichtet. Bei den genannten Anwendungen wird das Strahlenbündel auf eine Fläche projiziert, die mit den Vortriebsmaschinen bzw. den Rohren verbunden ist und auf der die Bündelmitte des Strahlenbündels bestimmt wird. Die Fläche kann ein CCD-Sensorarray mit angeschlossener Datenverarbeitung sein oder im einfachen Fall eine die Strahlung streuende Fläche mit einem Fadenkreuz, auf das das Strahlenbündel ausgerichtet und beobachtet wird. Beim Vortrieb der Geräte werden damit Abweichungen von der Sollrichtung festgestellt und gemessen.Pipeline construction aligned. In the applications mentioned, the beam is projected onto a surface which is connected to the tunneling machines or the pipes and on which the center of the beam is determined. The surface can be a CCD sensor array with connected data processing or, in the simple case, a radiation-scattering surface with a cross-hair on which the beam is aligned and observed. When driving the devices, deviations from the target direction are determined and measured.
Die Bestimmung der Bündelmitte im Strahlenquerschnitt ist oft schwierig. Viele Strahlungsquellen - meistens mit einem Kollimatorobjektiv zur Bündelformung ausgerüstet - emittieren Strahlenbündel, in deren Querschnitt je nach Distanz zur Strahlungsquelle eine verwirrende Vielfalt von unterschiedlichen Intensitätsverteilungen mit mehreren Maxima und Minima zu finden sind. Dem Beobachter bietet sich so ein mit der Entfernung zur Strahlungsquelle variierendes Bild von Lichtreflexen, wobei unterschiedliche Umgebungslichtverhältnisse zusätzlich die Bestimmung der Bündelmitte erschweren. Ideal wäre ein Strahlenbündel mit einer rotationssymmetrischen, gaußförmigen Intensitätsverteilung ohne Nebenmaxima aus Beugungserscheinungen. Ein solches Strahlenbündel besäße ein eindeutiges und auch bei unterschiedlichen Umgebuπgslichtverhältnissen klar ermittelbares Intensitätsmaximum. Ein solches Gaußsches Strahlenbündel hat die besondere Eigenschaft, daß dieThe determination of the center of the beam in the cross-section of the beam is often difficult. Many radiation sources - mostly equipped with a collimator lens for beam formation - emit radiation beams, in the cross-section of which depending on the distance to the radiation source, a confusing variety of different intensity distributions with several maxima and minima can be found. The observer is thus presented with an image of light reflections that varies with the distance to the radiation source, with different ambient light conditions additionally making it difficult to determine the center of the beam. The ideal would be a beam with a rotationally symmetrical, Gaussian intensity distribution without secondary maxima from diffraction phenomena. Such a beam would have a clear intensity maximum, which can also be clearly determined under different ambient light conditions. Such a Gaussian beam has the special property that the
Intensitätsverteilung unabhängig von der Entfernung zur Strahlungsquelle gaußförmig bleibt. Das Intensitätsmaximum liegt stets auf der Achse des Strahlenbündels. Aufgrund der Rotationssymmetrie der Intensitätsverteilung im Strahlenquerschnitt ist zudem die Genauigkeit der Bestimmung des Bündelmittelpunkts in jeder radialen Richtung gleich und somit unabhängig von der Orientierung des Strahlenquerschnitts.Intensity distribution remains Gaussian regardless of the distance to the radiation source. The maximum intensity is always on the axis of the beam. Due to the rotational symmetry of the intensity distribution in the beam cross-section, the accuracy of the determination of the bundle center is also the same in every radial direction and is therefore independent of the orientation of the beam cross-section.
Eine Lichtquelle, die bereits ein Strahlenbündel mit rotationssymmetrischen Gaußprofil abstrahlt, stellt der Helium-Neon-Laser dar. Deshalb findet der HeNe-Laser im Bauwesen vielfach Verwendung. Jedoch muß für den HeNe-Laser eine hohe Betriebsspannung bereitgestellt werden. Er hat außerdem einen hohen Energieverbrauch, ist aufgrund seines Volumens und seines Gewichts im Vergleich zu moderner Elektronik unhandlich und ist mit hohen Kosten verbunden.The helium-neon laser is a light source that already emits a beam of rays with a rotationally symmetrical Gaussian profile. That is why the HeNe laser is widely used in construction. However, a high operating voltage must be provided for the HeNe laser. It also has a high energy consumption, is bulky and bulky compared to modern electronics due to its volume and weight and is associated with high costs.
Mit dem Aufkommen von Halbleiter-Laserdioden können die genannten Nachteile überwunden werden. Auch die Halbleiter-Laserdioden strahlen eine gaußförmige Intensitätsverteilung ab. Jedoch ist diese Intensitätsverteilung im Strahlenquerschnitt nicht rotationssymmetrisch. Auch der Durchmesser des Strahlenquerschnitts bleibt in Ausbreitungsrichtung des Strahlenbündels nicht annähernd konstant, wie es beim HeNe-Laser der Fall ist. Die Halbleiter-Laserdioden emittieren ein stark divergentes Strahlenbündel mit elliptischem Querschnitt. Dies bedeutet zum einen, daß innerhalb eines solchen elliptischen Bündelquerschnitts die Intensität von der Bündelachse des Strahlenbündels zu seinem Rand hin zwar gaußförmig abfällt, aber mit unterschiedlichen Halbwertsbreiten je nach Betrachtungslinie senkrecht durch die Bündelachse des Strahlenbündels. Das Verhältnis der Intensitäts-Halbwertsbreiten über den beiden Ellipsenachsen kann je nach Laserdiode zwischen 1 :2 und 1:7 variieren. Zum anderen ist die Divergenz des Strahlenbündels relativ groß. Sie kann in der kleinen EHipsenachse, also parallel zur Junction-Ebene eines Halbleiterkristalls, beispielsweise 8° betragen und ist senkrecht dazu je nach genanntem Verhältnis der Ellipsenachsen entsprechend groß. Die Divergenz eines Strahlenbündels wird im allgemeinen mit Hilfe einer Kollimationsoptik so weit vermindert, daß ein annähernd paralleles Strahlenbündel entsteht. Für die Umwandlung eines elliptischen, gaußförmigen Strahlenbündels einer Halbleiter-Laserdiode in ein rotationssymmetrisches Strahlenbündel gibt es mehrere Möglichkeiten. Das Strahlenbündel wird so weit abgeblendet, daß derWith the advent of semiconductor laser diodes, the disadvantages mentioned can be overcome. The semiconductor laser diodes also emit a Gaussian intensity distribution. However, this intensity distribution in the beam cross section is not rotationally symmetrical. The diameter of the beam cross-section does not remain nearly constant in the direction of propagation of the beam, as is the case with the HeNe laser. The semiconductor laser diodes emit a strongly divergent beam with an elliptical cross section. On the one hand, this means that within such an elliptical beam cross-section, the intensity drops from the beam axis of the beam beam to its edge, but with different half-value widths, depending on the line of observation, perpendicularly through the beam axis of the beam beam. The ratio of the intensity half-widths across the two ellipse axes can vary between 1: 2 and 1: 7 depending on the laser diode. On the other hand, the divergence of the beam is relatively large. It can be, for example, 8 ° in the small e-hips axis, ie parallel to the junction plane of a semiconductor crystal, and is perpendicularly large, depending on the ratio of the ellipse axes mentioned. The divergence of a beam is generally reduced to such an extent with the aid of collimation optics that an approximately parallel beam is created. There are several options for converting an elliptical, Gaussian beam from a semiconductor laser diode into a rotationally symmetrical beam. The beam is dimmed so far that the
Intensitätsunterschied zwischen den beiden Ellipsenachsen nicht mehr ins Gewicht fällt. Dies ist mit einem sehr hohen Lichtverlust verbunden. Andererseits werden durch das Abblenden Beugungserscheinungen erzeugt, die den gaußförmigen Intensitätsverlauf zerstören. Es werden unerwünschte helle und dunkle Bereiche im Strahlenquerschnitt hervorgerufen, die sich zudem im Fernfeld anders gestalten als im Nahfeld des kollimierten Bündels. Dadurch ergeben sich Unsicherheiten in der Bestimmung der Bündelmitte.Difference in intensity between the two ellipse axes no longer matters. This is associated with a very high loss of light. On the other hand, the dimming produces diffraction phenomena which destroy the Gaussian intensity curve. Unwanted bright and dark areas are produced in the beam cross-section, which are also different in the far field than in the near field of the collimated bundle. This gives rise to uncertainties in determining the center of the bundle.
Eine andere Möglichkeit besteht in der Verwendung eines anamorphotischen Prismenpaares, das als Strahlaufweiter für eine Schnittebene betrachtet werden kann. Zwei keilförmige Prismen werden unter einem bestimmten Winkel zueinander eingestellt und ihre Schnittebene wird parallel zur kleinen Ellipsenachse der Strahlung der Halbleiter-Laserdiode ausgerichtet. Durch Drehen des Prismenpaares wird der Durchmesser des Strahlenquerschnitts der kleinen Ellipsenachse so lange aufgeweitet, bis er dem durch diese Maßnahme unbeeinflußten Strahldurchmesser der großen Ellipsenachse entspricht. Dabei wird allerdings die Bündelachse des Strahlenbündels seitlich versetzt. Aufgrund von Herstelltoleranzen muß für jede Halbleiter-Laserdiode die Strahlaufweitung unterschiedlich stark eingestellt werden, wodurch auch der Versatz der Bündelachse für jede Laserdiode unterschiedlich stark ausfällt. Dies ist für ein richtunggebendes Gerät von Nachteil und müßte zusätzlich korrigiert werden. Zudem benötigen die Prismen aufgrund des großen Einfallswinkels eine hocheffiziente Antireflexionsschicht. Und schließlich müssen enge Toleranzgrenzen in der Positionierung der Prismen untereinander eingehalten werden, um die Vergrößerung der Strahlaufweitung auf dem gewünschten Wert zu halten. Somit ist die Herstellung der Prismen sowie der Einstell- und Haltevorrichtung aufwendig und kostenungünstig.Another possibility is to use an anamorphic pair of prisms that can be viewed as a beam expander for a cutting plane. Two wedge-shaped prisms are set at a certain angle to each other and their cutting plane is aligned parallel to the small ellipse axis of the radiation from the semiconductor laser diode. By rotating the pair of prisms, the diameter of the beam cross section of the small ellipse axis is widened until it corresponds to the beam diameter of the large ellipse axis unaffected by this measure. However, the bundle axis of the beam is laterally offset. Due to manufacturing tolerances, the beam expansion must be set to different degrees for each semiconductor laser diode, which means that the offset of the bundle axis is also different for each laser diode. This is disadvantageous for a directional device and would have to be corrected additionally. In addition, due to the large angle of incidence, the prisms require a highly efficient anti-reflection layer. And finally, tight tolerance limits in the positioning of the prisms with one another must be observed in order to keep the enlargement of the beam expansion at the desired value. Thus, the production of the prisms and the setting and holding device is complex and inexpensive.
Auch mit zwei Zylinderlinsen kann wie mit dem anamorphotischen Prismenpaar eine anamorphotische Abbildung erreicht werden. Im Gegensatz zum anamorphotischen Prismenpaar bleibt hier die optische Achse erhalten, so daß das Strahlenbündel nicht seitlich versetzt wird. In der US 3 396 344 wird vorgeschlagen, in den parallelen Strahlengang nach dem Kollimator zwei Zylinderlinsen einzubringen, von denen eine eine kurze Brennweite und die andere eine lange Brennweite aufweist. Es werden Planzylinderlinsen verwendet, die allerdings eine große Länge des optischen Aufbaus bedingen. Ein kompakter Aufbau ist durch die Verwendung von optischen Komponenten möglich, die auf beiden Seiten zylindrisch geformt sind. Jedoch sind diese äußerst schwer herzustellen und sind dementsprechend teuer.An anamorphic image can also be achieved with two cylindrical lenses, as with the anamorphic pair of prisms. In contrast to the anamorphic pair of prisms, the optical axis is preserved here so that the beam is not offset laterally. In US 3,396,344 it is proposed in the parallel Beam path to insert two cylindrical lenses after the collimator, one of which has a short focal length and the other a long focal length. Plane cylindrical lenses are used, which, however, require a large length of the optical structure. A compact construction is possible through the use of optical components that are cylindrical on both sides. However, these are extremely difficult to manufacture and are accordingly expensive.
Der Einsatz von Zylinderlinsen oder anamorphotischen Prismenpaaren zur Erzeugung eines rotationssymmetrischen Strahls bei Laserdioden ist auch in „LASER FOCUS/ELECTRO-OPTICS", March 1984, Seiten 44-55 von David Kuntz, „Specifying Laser Diode Optics", mit den bereits genannten Ausführungen und Problemen beschriebenThe use of cylindrical lenses or anamorphic pairs of prisms for generating a rotationally symmetrical beam in laser diodes is also described in "LASER FOCUS / ELECTRO-OPTICS", March 1984, pages 44-55 by David Kuntz, "Specifying Laser Diode Optics", with the versions and Problems described
In der WO 90/13054 werden zwei Elemente mit zylindrischer Brechkraft zur Änderung der Form des Strahlenquerschnitts von Lichtbündeln, die insbesondere von Laserdioden emittiert werden, offenbart, deren Zylinderachsen einen Winkel einschließen, für den nur ein eingeschränkter Bereich gilt, und für deren Brennweiten ebenfalls ein eingeschränkter Bereich gilt und die ein afokales System bilden. Durch den einstellbaren Abstand der Zylinderlinsen in Richtung der optischen Achse wird der Astigmatismus der Laserdiode ausgeglichen. Da beugungsbegrenzte Objektive verwendet werden, sind die im Punktbild feststellbaren, verbleibenden Abbildungsfehler durch Beugungserscheinungen bedingt. Dies ist in der zu der genannten WO-Schrift korrespondierenden Veröffentlichung „Diodenlaser" von Jakob Bleicher, Werner Kröninger und Alexandra Geiger in der Zeitschrift F+M (Feinwerktechnik, Mikrotechnik und Meßtechnik) 103 (1995) 1-2, S.60-62 in den Abbildungen 3,4 und 7 zu sehen. Die Intensitätsverteilung im Punktbild ist durch Beugungsringe um das Hauptmaximum deutlich gekennzeichnet. Dadurch ist die Intensitätsverteilung nicht mehr gaußförmig über den gesamten Strahlenquerschnitt.WO 90/13054 discloses two elements with a cylindrical refractive power for changing the shape of the beam cross-section of light beams, which are emitted in particular by laser diodes, the cylinder axes of which enclose an angle for which only a limited range applies and also for the focal lengths thereof restricted area applies and which form an afocal system. The astigmatism of the laser diode is compensated for by the adjustable distance of the cylindrical lenses in the direction of the optical axis. Since diffraction-limited lenses are used, the remaining aberrations that can be determined in the point image are caused by diffraction phenomena. This is in the corresponding publication "Diode laser" by Jakob Bleicher, Werner Kröninger and Alexandra Geiger in the magazine F + M (Feinwerktechnik, Mikrotechnik und Meßtechnik) 103 (1995) 1-2, pp. 60-62 can be seen in Figures 3, 4 and 7. The intensity distribution in the point image is clearly characterized by diffraction rings around the main maximum, which means that the intensity distribution is no longer Gaussian over the entire beam cross-section.
Eine Möglichkeit, eine rotationssymmetrische und zugleich gaußförmige Intensitätsverteilung zu erzeugen, besteht darin, die Strahlung der Halbleiter- Laserdiode in eine Monomodefaser einzukoppeln. Eine solche Lichtleitfaser leitet nur den Grundmodus des Lichts weiter. Deswegen muß ihr Kerndurchmesser sehr gering sein. Er beträgt für Monomodefasem für den sichtbaren Bereich des Lichts nur wenige μm, z.B. 4,6 μm für die Monomodefaser SK 9660 der Firma Schäfter und Kirchhoff, Hamburg. Am Faserende tritt das eingekoppelte Licht divergent aus. Die Intensitätsverteiiung quer zur Ausbreitungsrichtung ist rotationssymmetrisch und gaußförmig. Allerdings ist aufgrund des geringen Kerndurchmessers einer solchen Faser die Einkopplung der Laserdiodenstrahlung schwierig. Zur Verbesserung des Einkoppelwirkungsgrades werden deshalb zusätzlich anamorphotisch abbildende Elemente eingesetzt. Nachteilig ist bei der Einkopplung des Laserdiodenlichts in diesen geringen Faserdurchmesser auch die hohe Temperatur- und Schwingungsempfindlichkeit. Eine mechanische Schockeinwirkung kann den Justierungszustand der Einkoppelung leicht verstellen. Durch den teueren, komplizierten und empfindlichen inneren Aufbau ist ein solches Gerät für harte Beanspruchungen im Feld weniger geeignet.One way of generating a rotationally symmetrical and at the same time Gaussian intensity distribution is to couple the radiation from the semiconductor laser diode into a single-mode fiber. Such an optical fiber only passes on the basic mode of light. Therefore, their core diameter must be very small. For single-mode fibers it is only a few μm for the visible range of light, e.g. 4.6 μm for the single-mode fiber SK 9660 from Schäfter and Kirchhoff, Hamburg. The injected light emerges divergently at the end of the fiber. The Intensity distribution across the direction of propagation is rotationally symmetrical and Gaussian. However, due to the small core diameter of such a fiber, the coupling of the laser diode radiation is difficult. To improve the coupling efficiency, additional anamorphic imaging elements are used. A disadvantage of coupling the laser diode light into this small fiber diameter is also the high sensitivity to temperature and vibration. A mechanical shock effect can easily adjust the state of the coupling. Due to the expensive, complicated and sensitive internal structure, such a device is less suitable for tough demands in the field.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung anzugeben, mit der eine rotationssymmetrische, gaußförmige Intensitätsverteilung aus einem Strahlenbündel mit elliptischem Querschnitt und gaußförmiger Intensitätsverteilung erzeugt werden kann, und zwar ohne Auftreten störender Beugungserscheinungen, mit größter Richtungs- und Formstabilität desBased on this prior art, it is an object of the invention to provide a device with which a rotationally symmetrical, Gaussian intensity distribution can be generated from a beam with an elliptical cross section and Gaussian intensity distribution, and without the occurrence of disturbing diffraction phenomena, with the greatest directional and dimensional stability of the
Strahlenbündels in seiner Ausbreitungsrichtung bei Temperaturänderungen oder nach mechanischen Vibrations- und Schockbeanspruchungen, mit geringen Abmessungen und einfachem Aufbau, der kostengünstig erfolgen kann.Beam in its direction of propagation with changes in temperature or after mechanical vibration and shock, with small dimensions and simple structure that can be done inexpensively.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Transmissionsfilter mit spiegelsymmetrischer, nach außen gaußförmig abnehmender Transmission im divergenten Strahlenbündel angeordnet ist und daß die Spiegelachse des Transmissionsfilters in Überdeckung mit der kleinen Ellipsenachse des Strahlenbündels ist.This object is achieved in that a transmission filter with mirror-symmetrical, outwardly Gaussian decreasing transmission is arranged in the divergent beam and that the mirror axis of the transmission filter is in register with the small ellipse axis of the beam.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung sind durch die Merkmale der Unteransprüche gekennzeichnet.Advantageous further developments and improvements of the invention are characterized by the features of the subclaims.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung nutzt ein Strahlenbündel mit im Querschnitt elliptischsymmetrischer Intensitätsverteilung. Die Symmetrie des Strahlenquerschnitts wird durch die Ellipsenachsen festgelegt. Die Intensitätsverteilung ist spiegelsymmetrisch zu den beiden Ellipsenachsen. Außerdem soll die Intensität von der Bündelachse ausgehend gaußförmig abnehmen. Eine derartigeThe device according to the invention uses a beam with an intensity distribution that is elliptically symmetrical in cross section. The symmetry of the beam cross section is determined by the ellipse axes. The intensity distribution is mirror-symmetrical to the two ellipse axes. In addition, the intensity should decrease from the bundle axis in a Gaussian shape. Such
Intensitätsverteilung zeigen beispielsweise Halbleiter-Laserdioden, deren Strahlenbündel zudem divergent ist. in einem solchen Strahlenbundel wird das Transmissionsfilter mit spiegelsymmetrischer, nach außen gaußförmig abnehmender Transmission angeordnet. Die Spie-gelachse des Transmissionsfilters wird normalerweise so ausgerichtet, daß sie in Überdeckung mit der kleinen Ellipsenachse der Strahlungsverteilung im Strahlenquerschnitt ist. Das Transmissionsfilter wird im allgemeinen so lange in der Richtung der Bündelachse verschoben, bis die gewünschte rotationssymmetrische Intensitätsverteilung erzeugt ist. Bei diesem so eingestellten Abstand des Transmissionsfilters zur Halbleiter-Laserdiode ist am Ort des Transmissionsfilters die Halbwertsbreite der mathematischen Funktion, die sich aus dem Produkt der Intensitätsverteilung auf der großen Ellipsenachse desIntensity distribution is shown, for example, by semiconductor laser diodes, whose beams are also divergent. In such a bundle of rays, the transmission filter is arranged with a mirror-symmetrical transmission that decreases towards the outside in a Gaussian shape. The mirror axis of the transmission filter is normally aligned so that it overlaps the small ellipse axis of the radiation distribution in the cross-section of the beam. The transmission filter is generally shifted in the direction of the bundle axis until the desired rotationally symmetrical intensity distribution is generated. Given this distance between the transmission filter and the semiconductor laser diode, the full width at half maximum of the mathematical function at the location of the transmission filter results from the product of the intensity distribution on the large ellipse axis of the
Strahlenbündels mit dem Transmissionsverlauf des Transmissionsfilters ergibt, gleich der Halbwertsbreite der Intensitätsverteilung auf der kleinen Ellipsenachse des Strahlenbündels.Beam bundle with the transmission curve of the transmission filter results, equal to the full width at half maximum of the intensity distribution on the small ellipse axis of the beam bundle.
Eine Möglichkeit, den beschriebenen Transmissionsverlauf des Transmissionsfilters zu realisieren, besteht darin, absorbierende Materialien zu verwenden. Als solche können beispielsweise fotografische Materialien verwendet werden oder es kann eine Metallschicht auf einer Trägerplatte aufgedampft werden. Die Trägerplatte selbst ist für die verwendete Strahlung transparent. Die Dicke der Metallschicht ist spiegelsymmetrisch verteilt und nimmt mit zunehmendem Abstand zur Spiegelachse derart zu, daß die Transmission der Strahlung gaußförmig abnimmt. Dadurch wird das elliptischsymmetrische Strahlenbundel in die gewünschte rotationssymmetrische, nach außen gaußförmig abfallende Intensitätsverteilung umgewandelt. Die anschließende Paral-Ielausrichtung des divergenten Strahlenbündels erfolgt üblicherweise mit einem Koliimatorobjektiv.One way of realizing the transmission course of the transmission filter described is to use absorbent materials. As such, photographic materials can be used, for example, or a metal layer can be evaporated on a carrier plate. The carrier plate itself is transparent to the radiation used. The thickness of the metal layer is distributed in mirror symmetry and increases with increasing distance from the mirror axis in such a way that the transmission of the radiation decreases in a Gaussian shape. As a result, the elliptically symmetrical beam of rays is converted into the desired rotationally symmetrical, outwardly Gaussian intensity distribution. The subsequent parallel alignment of the divergent beam is usually carried out with a coliimator lens.
Eine andere Realisierungsmöglichkeit für das Transmissionsfilter besteht in der Verwendung eines diffraktiven Filters. Anstelle von Strahlungsabsorbierenden Eigenschaften werden beugende Eigenschaften ausgenutzt. Beispielsweise kann das diffraktive Filter durch ein Beugungsgitter realisiert sein, wobei das ungebeugt durch das Gitter gehende Licht eine gaußförmige Intensitiätsverteilung erhält. Das gebeugte Licht wird ausgeblendet. Die transmittierte Strahlung zeigt somit imAnother possible implementation for the transmission filter is to use a diffractive filter. Diffractive properties are used instead of radiation-absorbing properties. For example, the diffractive filter can be implemented by a diffraction grating, the light that passes through the grating without diffraction being given a Gaussian intensity distribution. The diffracted light is hidden. The transmitted radiation thus shows in
Strahlenquerschnitt einen spiegelsymmetrischen, nach außen gaußförmig abfallenden Intensitätsverlauf bei einem einfallenden Strahlenbundel mit homogener Intensitätsverteiiung. Weist das einfallende Strahlenbündel eine im Querschnitt elliptischsymmetrische, gaußförmige Intensitätsverteilung auf, dann wird diese durch das diffraktive Filter bei geeigneter Ausrichtung in eine rotationssymmetrische, gaußförmige Intensitätsverteilung umgewandelt.Beam cross-section a mirror-symmetrical, outward gaussian gradient of intensity with an incident beam with a homogeneous intensity distribution. If the incident beam has a Gaussian intensity distribution that is elliptically symmetrical in cross section, then this is through the diffractive filter with a suitable alignment is converted into a rotationally symmetrical, Gaussian intensity distribution.
Der gaußförmige Transmissionsverlauf des Transmissionsfilters hat zudem noch eine besondere Wirkung. Es ist aus der Optik allgemein bekannt, daß die Begrenzung einer in ein optisches System einfallenden Strahlung durch die Eintrittspupille, die durch Haltevorrichtungen für die optischen Bauteile oder durch eine Blende gegeben ist, Beugungserscheinungen erzeugt. Es ist auch bekannt, daß durch Verringerung der Intensität zu der Begrenzung der Eintrittspupille hin die Beugungserscheinungen reduziert und bei geeignetem Intensitätsverlauf sogar eliminiert werden können. Fällt die Pupillenfunktion ausreichend gaußförmig zu den Begrenzungen ab, so ergibt sich eine Punktbildfunktion, die zwar etwas verbreitert, dafür aber ohne beugungsbedingte Nebenmaxima ist. Die Punktbildfunktion ist dann ebenfalls gaußförmig, da sie ja durch Fouriertransformation aus der Pupillenfunktion entsteht. Die Eliminierung von Beugungserscheinungen, also die Eliminierung von beugungsbedingten Nebenmaxima im Punktbild durch Anpassen der Pupillenfunktion in der Eintrittspupille wird Apodisation genannt und entsprechend wirkende Filter heißen demgemäß Apodisationsfilter.The Gaussian transmission curve of the transmission filter also has a special effect. It is generally known from optics that the limitation of a radiation incident in an optical system by the entrance pupil, which is given by holding devices for the optical components or by an aperture, produces diffraction phenomena. It is also known that by reducing the intensity towards the limitation of the entrance pupil, the diffraction phenomena can be reduced and can even be eliminated if the intensity curve is suitable. If the pupil function falls sufficiently gaussian to the boundaries, a point image function results which is somewhat broadened but has no secondary maxima due to diffraction. The point image function is then also Gaussian, since it arises from the pupil function by Fourier transformation. The elimination of diffraction phenomena, that is to say the elimination of diffraction-related secondary maxima in the point image by adapting the pupil function in the entrance pupil is called apodization, and correspondingly acting filters are accordingly called apodization filters.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung wirkt aufgrund ihres Transmissionsverlaufs ebenfalls apodisierend. Sie wird allerdings nicht in der Eintrittspupille einer Optik, z.B. der Kollimatoroptik, angeordnet. Vielmehr wird sie im divergenten Strahlengang der Strahlungsquelle - oder gegebenenfalls auch in einem konvergenten Strahlengang - angeordnet. Die Spiegelachse des spiegelsymmetrischen Transmissionsverlaufs wird wie bereits beschrieben zu der kleinen Ellipsenachse der Intensitätsverteilung im Strahlenquerschnitt in Überdeckung gebracht und die Halbwertsbreite des Transmissionsverlaufs der Halbwertsbreite des Intensitätsverlaufs der Strahlung entlang der kleinen Ellipsenachse angepaßt. Mit dieser Anordnung und diesem Transmissionsverlauf wird nicht nur die Rotationssymmetrie der Intensitätsverteilung im Strahlenquerschnitt erzeugt, sondern es werden gleichzeitig auch Beugungsringe um das Intensitätsmaximum eliminiert. Somit werden störende Beugungsringe oder in der Praxis auftretende Teile von Beugungsringen vermieden. Deshalb ist das Zentrum des Strahlenquerschnitts auch bei äußerem Streulicht für einen Beobachter schnell, klar und in eindeutiger Weise erkennbar. Dasselbe gilt auch für die Aufnahme des Strahlenbündels mit elektronischen Mitteln, so daß alle Forderungen an die Eigenschaften des Strahlenbündels für die eingangs genannten Anwendungen erfüllt werden.The device according to the invention also has an apodizing effect due to its transmission profile. However, it is not arranged in the entrance pupil of an optical system, for example the collimator optical system. Rather, it is arranged in the divergent beam path of the radiation source - or possibly also in a convergent beam path. As already described, the mirror axis of the mirror-symmetrical transmission curve is overlapped with the small ellipse axis of the intensity distribution in the beam cross section, and the half-value width of the transmission curve is adapted to the half-value width of the intensity curve of the radiation along the small ellipse axis. With this arrangement and this transmission curve, not only is the rotational symmetry of the intensity distribution in the beam cross section generated, but at the same time diffraction rings around the intensity maximum are eliminated. Interfering diffraction rings or parts of diffraction rings occurring in practice are thus avoided. For this reason, the center of the beam cross-section is quickly, clearly and clearly recognizable for an observer even with external scattered light. The same also applies to the recording of the beam by electronic means, so that all demands on the Properties of the beam for the applications mentioned above are met.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the drawing. Show it:
Fig.1a schematisch Linien konstanter Transmission der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Querschnitt eines elliptischen Strahlenbündels,1a schematically lines of constant transmission of the device according to the invention in cross section of an elliptical beam,
Fig.1 b den gaußförmigen Verlauf der Transmission der Vorrichtung korrespondierend zu Fig.1a,1b shows the Gaussian course of the transmission of the device corresponding to FIG. 1a,
Fig.1 c schematische Darstellung eines Transmissionsfilters mit absorbierenden Materialien ortsabhängiger unterschiedlicher Dicke,1 c shows a schematic representation of a transmission filter with absorbent materials of location-dependent different thicknesses,
Fig.ld schematische Darstellung eines Transmissionsfilters als Amplitudengitter,Fig.ld schematic representation of a transmission filter as an amplitude grating,
Fig.le schematische Darstellung eines Transmissionsfilters als Phasengitter,Fig.le schematic representation of a transmission filter as a phase grating,
Fig.2a die Transmission des Erfindungsgegenstandes in 3-dimensionaler Darstellung,2a shows the transmission of the object of the invention in a three-dimensional representation,
Fig.2b die Intensitätsverteilung der Emission einer Halbleiter-Laserdiode,2b shows the intensity distribution of the emission of a semiconductor laser diode,
Fig.2c die Intensitäsverteilung aus der Kombination der Gegenstände von Fig.2a und Fig.2b,2c shows the intensity distribution from the combination of the objects from FIGS. 2a and 2b,
Fig.3 schematische Darstellung der Anordnung des Erfindungsgegenstands im Strahlengang.3 shows a schematic representation of the arrangement of the object of the invention in the beam path.
In Fig.1a ist eine Ausführungsform eines Transmissionsfilters 1 mit absorbierenden Materialien schematisch dargestellt. Es werden Linien L jeweils konstanter Transmission und ihre Ausrichtung im Querschnitt eines elliptischen Strahlenbündels gezeigt. Das elliptische Strahlenbündel ist im Querschnitt durch die Ellipsen E1 t E2, E3 mit jeweils konstanter Strahlungsintensität gekennzeichnet. Die Intensität ist im Schnittpunkt der kleinen Ellipsenachse a mit der großen Ellipsenachse b, also auf der Bündelachse 2 maximal. Die Intensität fällt von der Bündelachse 2 nach außen gaußförmig ab. Im x-y-Koordinatensystem ist die kleine Ellipsenachse a zur y-Achse und die große Ellipsenachse b zur x-Achse parallel ausgerichtet. Die absorbierenden Materialien des Transmissionsfilters 1 absorbieren und reflektieren die Strahlung mit zunehmendem Abstand zur kleinen Ellipsenachse a stärker. Dies soll in Fig.1a durch die Liniendichte der Linien LT , L2, L3, U, U, U, L7, L8 mit jeweils konstanter Transmission schematisch dargestellt werden. Die Linien konstanter Transmission verlaufen parallel zur kleinen Ellipsenachse a. Die1a shows schematically an embodiment of a transmission filter 1 with absorbent materials. Lines L of constant transmission and their alignment in cross-section of an elliptical beam are shown. The cross section of the elliptical beam is characterized by the ellipses E 1 t E 2 , E 3 , each with a constant radiation intensity. The intensity is maximum at the intersection of the small ellipse axis a with the large ellipse axis b, that is to say on the bundle axis 2. The intensity drops from the bundle axis 2 to the outside in a Gaussian shape. In the xy coordinate system, the small ellipse axis a is aligned parallel to the y axis and the large ellipse axis b is aligned parallel to the x axis. The absorbent materials of the transmission filter 1 absorb and reflect the radiation more with increasing distance from the small ellipse axis a. This is to be illustrated schematically in FIG. 1a by the line density of the lines L T , L 2 , L 3 , U, U, U, L 7 , L 8 , each with a constant transmission. The lines of constant transmission run parallel to the small ellipse axis a. The
Verdichtung der Linien U bis L8 bei größerem Abstand zur kleinen Ellipsenachse a bedeutet eine abnehmende Transmission der Strahlung. Dabei nimmt die Transmission kontinuierlich und gemäß einer Gaußfunktion ab. Auf der Spiegelachse 3 ist die Transmission maximal. Die Spiegelachse 3 des spiegelsymmetrischen Transmissionsverlaufs des Transmissionsfilters 1 überdeckt sich mit der kleinen Ellipsenachse a der Strahlenverteilung.Compression of the lines U to L 8 at a greater distance from the small ellipse axis a means a decreasing transmission of the radiation. The transmission decreases continuously and according to a Gaussian function. The transmission is maximum on the mirror axis 3. The mirror axis 3 of the mirror-symmetrical transmission profile of the transmission filter 1 overlaps with the small ellipse axis a of the beam distribution.
In Fig.1 b ist korrespondierend mit Fig.1a die gaußförmige Transmission des Transmissionsfilters 1 in Abhängigkeit des Ortes x dargestellt. Hw ist die Halbwertsbreite der Transmissionskurve.In Fig. 1 b, corresponding to Fig. 1a, the Gaussian transmission of the transmission filter 1 is shown as a function of the location x. Hw is the full width at half maximum of the transmission curve.
Es können alle absorbierenden Materialien eingesetzt werden, mit denen der geforderte Transmissionsverlauf für die verwendete Strahlung erzeugt werden kann. Hierfür gibt es unterschiedliche Materialien und Verfahren. Beispielsweise können gemäß Fig.1c Trägerplatten 1a, die für die gewünschte Strahlung transparent sind, mit Metall 1 b bedampft werden. Dabei wird die Bedampfung so gesteuert, daß von der Spiegelachse 3 ausgehend eine kontinuierlich anwachsende Schichtdicke erzeugt wird. Die Zunahme der Schichtdicke erfolgt derart, daß ein kontinuierlicher, gaußförmiger Transmissionsverlauf gewährleistet ist. Da die Schichtdickenverteilung spiegelsymmetrisch zur Spiegelachse 3 ist, ist es ebenso der Transmissionsverlauf der bedampften Trägerplatte 1a.All absorbent materials can be used with which the required transmission curve for the radiation used can be generated. There are different materials and processes for this. For example, according to FIG. 1c, carrier plates 1a which are transparent to the desired radiation can be vapor-coated with metal 1b. The vapor deposition is controlled in such a way that a continuously increasing layer thickness is generated starting from the mirror axis 3. The layer thickness increases in such a way that a continuous, Gaussian transmission curve is ensured. Since the layer thickness distribution is mirror-symmetrical to the mirror axis 3, it is also the transmission curve of the vapor-coated carrier plate 1a.
Es kann bei Verwendung bestimmter absorbierender Materialien vorkommen, daß auftretende Phasendifferenzen aufgrund der unterschiedlichen Materialdicken störend wirken. Für diesen Fall kann entweder eine zusätzlich aufgebrachte transmissive Schicht 1c mit entsprechend ortsabhängiger Dicke oder eine von vornherein mit entsprechendem Dickenverlauf angepaßte Trägerplatte 1 a die Phasendifferenzen ausgleichen.When using certain absorbent materials, it can happen that occurring phase differences have a disruptive effect due to the different material thicknesses. In this case, either an additionally applied transmissive layer 1c with a corresponding location-dependent thickness or a support plate 1a adapted from the outset with a corresponding thickness profile can compensate for the phase differences.
Es können aber auch fotografische oder optische Materialien, wie z.B. fotografische Filme oder Graufilter, verwendet werden. Bei diesen ist es sogar möglich, aufgrund chemisch-physikalischer Eigenschaften örtlich unterschiedliche Transmissionen bei konstanter Materialdicke (Filmdicke) zu erzeugen und dabei die gewünschte Transmissionskurve darzustellen.However, photographic or optical materials, such as photographic films or gray filters, can also be used. With these it is even possible due to to generate chemical-physical properties of locally different transmissions with constant material thickness (film thickness) and to display the desired transmission curve.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Transmissionsfilter 1 ist ein diffraktives Filter. Dieses kann beispielsweise durch ein Beugungsgitter mit kleiner Gitterkonstante (ca 1 μm) realisiert sein, bei dem der Füllfaktor der Periode von der Mitte zum Rand derart variiert, daß das ungebeugt durch das Gitter gehende Licht eine gaußförmige Intensitätsverteilung erhält. Das in die erste Beugungsordnung und in höhere Beugungsordnungen abgebeugte Licht wird im Gehäuse des Kollimators ausgeblendet und vom gaußförmigen Bündel abgetrennt.Another embodiment of the transmission filter 1 according to the invention is a diffractive filter. This can be achieved, for example, by a diffraction grating with a small grating constant (approx. 1 μm), in which the filling factor of the period varies from the center to the edge in such a way that the light that passes through the grating without diffraction receives a Gaussian intensity distribution. The light diffracted into the first diffraction order and into higher diffraction orders is faded out in the housing of the collimator and separated from the Gaussian bundle.
Das Beugungsgitter kann als Amplitudengitter oder Phasengitter ausgebildet sein.The diffraction grating can be designed as an amplitude grating or a phase grating.
In Fig.ld ist ein Amplitudengitter im Querschnitt schematisch dargestellt mit abwechselnd lichtdurchlässigen Bereichen 20 und lichtundurchlässigen Bereichen 21. Der Füllfaktor der Periode ist das Verhältnis aus der Größe des lichtdurchlässigen Bereichs 20 zu der Summengröße von lichtdurchlässigem Bereich 20 und lichtundurchlässigem Bereich 21 innerhalb einer Periode. Dieser Füllfaktor der Periode nimmt von 1 in der Symmetrieachse 3 bis auf weniger als 0,01 am Rand des Beugungsgitters ab.In Fig.ld an amplitude grating is shown schematically in cross section with alternating light-transmitting areas 20 and light-blocking areas 21. The filling factor of the period is the ratio of the size of the light-transmitting area 20 to the total size of light-transmitting area 20 and light-blocking area 21 within a period. This fill factor of the period decreases from 1 in the axis of symmetry 3 to less than 0.01 at the edge of the diffraction grating.
In Fig.le ist ein Phasengitter im Querschnitt schematisch dargestellt mit eingetieften Bereichen 30, die sich mit Bereichen 31 der ursprüngliche Oberfläche abwechseln. Die unterschiedlichen optischen Wege aufgrund des unterschiedlichen Brechungsindexes in den Bereichen 30 und 31 bewirken eine Phasenverschiebung benachbarter Lichtstrahlen. Bei einem Phasengitter mit einem Phasenhub von π vermindert sich der Füllfaktor der Periode von 1 in der Symmetrie-Achse 3 auf 0,5 am Rand des Phasengitters.In Fig.le a phase grating is shown schematically in cross section with recessed areas 30 which alternate with areas 31 of the original surface. The different optical paths due to the different refractive index in the regions 30 and 31 cause a phase shift of adjacent light beams. In the case of a phase grating with a phase shift of π, the fill factor of the period decreases from 1 in the symmetry axis 3 to 0.5 at the edge of the phase grating.
Die Wirkung derartiger diffraktiver Filter oder der oben beschriebenen absorbierenden und reflektierenden Materialien auf die Transmission eines einfallenden Strahlenbündels ist in der Figurenabfolge der Fig.2 zu sehen. Die Darstellung in Fig.2a ist gegenüber der in Fig.1 b um eine Dimension erweitert. Es ist die Transmission des Transmissionsfilters 1 in Abhängigkeit des Ortes (x,y) aufgetragen. In x-Richtung ist der gaußförmige Transmissionsverlauf für alle y-Werte gleich. Die Linien gleicher Transmission sind zur y-Achse parallel. In Fig.2b ist die Intensitätsverteilung im Fernfeld der Strahlung einer Halbleiter-Laserdiode 5 dargestellt. Sie ist beispielhaft für eine gaußförmige, elliptische Intensitätsverteilung. Die kleine Eliipsenachse a liegt parallel zur y-Achse. Fällt ein Strahlenbündel mit einer solchen intensitätsverteiiung mit der dargestellten Orientierung im x-y- Koordinatensystem auf das Transmissionsfilter 1 mit der in Fig.2a dargestellten Transmission und überdeckt sich die kleine Ellipsenachse a mit der Spiegelachse 3, so wird bei geeignetem Abstand zwischen dem Transmissionsfilter 1 und der Halbleiter-Laserdiode 5 eine rotationssymmetrische, gaußförmige Strahlungsverteilung erzeugt. Dies ist in Fig.2c dargestellt. Damit ist die ursprünglich elliptischsymmetrische, von der Bündeiachse nach außen gaußförmig abfallende Intensitätsverteilung des Strahlenbündels in eine rotationssymmetrische, von der Bündelachse 2 nach außen gaußförmig abfallende Intensitätsverteilung umgewandelt worden.The effect of such diffractive filters or the absorbing and reflecting materials described above on the transmission of an incident beam of rays can be seen in the sequence of figures in FIG. The illustration in FIG. 2a has been expanded by one dimension compared to that in FIG. 1b. The transmission of the transmission filter 1 is plotted as a function of the location (x, y). In the x direction, the Gaussian transmission curve is the same for all y values. The lines of the same transmission are parallel to the y-axis. In Fig.2b is the Intensity distribution in the far field of radiation from a semiconductor laser diode 5 is shown. It is an example of a Gaussian, elliptical intensity distribution. The small ellipse axis a is parallel to the y axis. If a beam with such an intensity distribution with the orientation shown in the xy coordinate system falls on the transmission filter 1 with the transmission shown in FIG. 2a and the small ellipse axis a overlaps with the mirror axis 3, then at a suitable distance between the transmission filter 1 and the Semiconductor laser diode 5 generates a rotationally symmetrical, Gaussian radiation distribution. This is shown in Fig.2c. The originally elliptically symmetrical intensity distribution of the beam bundle, which drops outwards in a gaussian shape from the bundle axis, has thus been converted into a rotationally symmetrical intensity distribution, which has a Gaussian shape outward curve from the bundle axis 2.
Aufgrund der Wirkung des Transmissionsfilters 1 geht ein nicht unerheblicher Teil der Strahlung verloren, wie bei einem Vergleich von Fig.2b mit Fig.2c erkennbar ist.Due to the effect of the transmission filter 1, a not inconsiderable part of the radiation is lost, as can be seen in a comparison of FIG. 2b with FIG. 2c.
Jedoch ist die Strahlungsleistung heutiger Halbleiter-Laserdioden 5 so groß, daß der Strahlungsverlust durch das Tranmissionsfilter 1 keine entscheidende Rolle spielt. Die Strahlungsleistung muß im allgemeinen ohnehin noch auf die zulässigen Grenzwerte nach den gesetzlichen Vorschriften über die Verwendung von Laserstrahlung reduziert werden.However, the radiation power of today's semiconductor laser diodes 5 is so great that the radiation loss through the transmission filter 1 does not play a decisive role. The radiation power generally has to be reduced anyway to the permissible limit values according to the legal regulations on the use of laser radiation.
Die meisten Strahlungsquellen emittieren ein divergentes Strahlenbündel. Insbesondere zeigen auch Halbleiter-Laserdioden 5 eine Strahlendivergenz, wie sie mit dem Strahlenbündel 6 in Fig.3 schematisch dargestellt ist. Aufgrund dieser Divergenz verändert sich die Halbwertsbreite der Intensitätsverteilung im Strahlenquerschnitt mit der Entfernung zur Halbleiter-Laserdiode 5. Deshalb ist bei einem solchen Strahlenbündel 6 und bei einem vorgegebenen Transmissionsfilter 1 aufgrund ihrer Halbwertsbreiten der Ort festgelegt, an dem das Transmissionsfilter 1 in den Strahlengang eingebracht werden muß. Dieser Ort variiert individuell für jede Halbleiter-Laserdiode 5, denn die Strahlendivergenz von Halbleiter-Laserdioden 5 ist aufgrund ihres Herstellprozesses nicht konstant. Deswegen ist es sinnvoll, daß das Transmissionsfilter 1 oder die Halbleiter-Laserdiode 5 in der Richtung der Bündelachse 2 verstellbar ist. Natürlich kann deren Einbauort auch von vornherein festgelegt werden, wobei dann allerdings jeweils die Halbwertsbreite des Transmissionsfilters 1 an die Strahlungscharakteristik der Halbleiter-Laserdiode 5 angepaßt werden muß. Eine solche Abstimmung muß im Falle eines bereits parallel ausgerichteten, elliptischen Strahlenbündels ebenfalls erfolgen. Das Transmissionsfilter 1 kann zudem um die Bündelachse 2 drehbar sein, damit seine Spiegelachse 3 zu der kleinen Ellipsenachse a des Strahlenbündels 6 auch nach dem Einbau noch ausgerichtet werden kann. Nach dem Durchgang der Strahlung durch das Transmissionsfilter 1 wird das rotationssymmetrische, gaußförmige, aber noch divergente Strahlenbündel 7 durch ein Kollimatorobjektiv 10 zu einem annähernd parallelen Strahlenbündel 8 geformt.Most radiation sources emit a divergent beam. In particular, semiconductor laser diodes 5 also show a beam divergence, as is shown schematically with the beam 6 in FIG. Because of this divergence, the full width at half maximum of the intensity distribution in the beam cross section changes with the distance from the semiconductor laser diode 5. Therefore, in the case of such a beam bundle 6 and with a predetermined transmission filter 1, the location at which the transmission filter 1 is introduced into the beam path is determined on the basis of its half widths got to. This location varies individually for each semiconductor laser diode 5, because the beam divergence of semiconductor laser diodes 5 is not constant due to their manufacturing process. Therefore, it makes sense that the transmission filter 1 or the semiconductor laser diode 5 is adjustable in the direction of the bundle axis 2. Of course, their installation location can also be determined from the outset, but then the half-width of the Transmission filter 1 must be adapted to the radiation characteristics of the semiconductor laser diode 5. Such coordination must also take place in the case of an elliptical beam already aligned in parallel. The transmission filter 1 can also be rotatable about the bundle axis 2 so that its mirror axis 3 can still be aligned with the small ellipse axis a of the beam 6 even after installation. After the radiation has passed through the transmission filter 1, the rotationally symmetrical, Gaussian, but still divergent beam 7 is shaped by a collimator lens 10 to form an approximately parallel beam 8.
Das Transmissionsfilter 1 ist robust aufgebaut , denn die absorbierende Beschichtung haftet fest auf ihrer Trägerplatte und bei einem diffraktiven Filter sind die beugenden Strukturen in die Trägerplatte eingebracht, beispielsweise eingeätzt. Somit sind sowohl Temperaturänderungen als auch mechanische Vibrationen und Schockbeanspruchungen ohne Einfluß auf die strahlformenden Eigenschaften des Transmissionsfilters 1. Es besitzt geringe Abmessungen in ähnlicher Größenordnung wie das Gehäuse der Halbleiter-Laserdiode 5, denn es wird in das divergente Laserstrahlenbündel 6 eingebracht und nicht in die Eintrittspupille des Kollimatorobjektivs 10 mit seinem erheblich größeren Durchmesser. Somit muß bei der Herstellung auch nur eine kleine Fläche präzise bearbeitet werden, was erheblich einfacher und auch kostengünstiger ist. The transmission filter 1 is of robust construction, because the absorbent coating adheres firmly to its carrier plate and, in the case of a diffractive filter, the diffractive structures are introduced, for example etched, into the carrier plate. Thus, temperature changes as well as mechanical vibrations and shock loads have no influence on the beam-shaping properties of the transmission filter 1. It has small dimensions in a similar order of magnitude to the housing of the semiconductor laser diode 5, because it is introduced into the divergent laser beam 6 and not into the entrance pupil of the collimator lens 10 with its considerably larger diameter. Thus, only a small area has to be precisely machined during manufacture, which is considerably simpler and also less expensive.

Claims

Patentansprüche claims
1. Vorrichtung zur Umwandlung eines divergenten Strahlenbündels (6) mit im Querschnitt elliptischsymmetrischer, von der Bündelachse (2) nach außen gaußförmig abfallender Intensitätsverteilung in ein Strahlenbündel (7) mit im1. Device for converting a divergent bundle of rays (6) with an elliptically symmetrical cross-section, from the bundle axis (2) to the outside falling Gaussian intensity distribution into a bundle of rays (7) with im
Querschnitt rotationssymmetrischer, von der Bündelachse (2) nach außen gaußförmig abfallender Intensitätsverteilung, dadurch gekennzeichnet, daß ein Transmissionsfilter (1) mit spiegelsymmetrischer, nach außen gaußförmig abnehmender Transmission im divergenten Strahlenbündel (6) angeordnet ist und daß die Spiegelachse (3) des Transmissionsfilters (1) in Überdeckung mit der kleinen Ellips'enachse (a) des Strahlenbündels (6) ist.Cross-section of rotationally symmetrical, from the bundle axis (2) outward Gaussian intensity distribution, characterized in that a transmission filter (1) with mirror-symmetrical, outward Gaussian transmission is arranged in the divergent beam (6) and that the mirror axis (3) of the transmission filter ( 1) in register with the small Ellips' enachse (a) of the beam (6).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das2. Device according to claim 1, characterized in that the
Transmissionsfilter (1) im divergenten Strahlenbündel (6) in der Richtung der Bündelachse (2) verstellbar ist.Transmission filter (1) in the divergent beam (6) can be adjusted in the direction of the beam axis (2).
3. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Transmissionsfilter (1) im divergenten Strahlenbündel (6) um die Bündelachse (2) drehbar ist.3. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the transmission filter (1) in the divergent beam (6) about the beam axis (2) is rotatable.
4. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des gaußförmigen Transmissionsverlaufs des Transmissionsfilters (1) absorbierende Materialien vorgesehen sind.4. Device according to one of the preceding claims, characterized in that absorbent materials are provided for generating the Gaussian transmission course of the transmission filter (1).
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das5. The device according to claim 4, characterized in that the
Transmissionsfilter (1) eine Beschichtung (1c) mit ortsabhängiger Dicke zum Ausgleich von Phasendifferenzen enthält. Transmission filter (1) contains a coating (1c) with location-dependent thickness to compensate for phase differences.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des gaußförmigen Transmissionsverlaufs des Transmissionsfilters (1) ein diffraktives Filter vorgesehen ist. 6. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that a diffractive filter is provided for generating the Gaussian transmission course of the transmission filter (1).
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