WO2006084478A1 - Vorrichtung zur homogenisierung von licht und verfahren zur herstellung der vorrichtung - Google Patents

Vorrichtung zur homogenisierung von licht und verfahren zur herstellung der vorrichtung Download PDF

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WO2006084478A1
WO2006084478A1 PCT/EP2005/001268 EP2005001268W WO2006084478A1 WO 2006084478 A1 WO2006084478 A1 WO 2006084478A1 EP 2005001268 W EP2005001268 W EP 2005001268W WO 2006084478 A1 WO2006084478 A1 WO 2006084478A1
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lens elements
light
lens
working plane
polynomial
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Application number
PCT/EP2005/001268
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English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Mitra
Heiko Ganser
Original Assignee
Hentze-Lissotschenko Patentverwaltungs Gmbh & Co. Kg
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
    • G02B27/0938—Using specific optical elements
    • G02B27/095—Refractive optical elements
    • G02B27/0955—Lenses
    • G02B27/0961—Lens arrays

Definitions

  • the present invention relates to a device for the homogenization of light, comprising at least one optically functional interface, through which the light to be homogenized can pass, and a plurality of lens elements, which are arranged on the at least one optically functional interface. Furthermore, the present invention relates to a method for producing a device for the homogenization of light, which has at least one optically functional interface through which a beam to be homogenized can pass and which comprises a plurality of lens elements which are arranged on the at least one optically functional interface ,
  • a device of the type mentioned for the homogenization of light and a method for producing this device are known in principle from the prior art.
  • a basic prerequisite for being able to form a light beam in a suitable manner and to be able to image it in a desired working area with a substantially homogeneous intensity distribution is the knowledge of the correspondingly applicable geometric shapes (for example the surface contours and cross sections) of the imaging lens elements.
  • geometric shapes for example the surface contours and cross sections
  • suitable lens shapes there are already proven methods with which suitable lens shapes can be determined, so that the lens elements can be suitably shaped during manufacture.
  • One example of such a standard problem of lens shaping is the determination of a lens shape that minimizes a collimated substantially parallel beam of light
  • the object of the present invention is to provide a device for the homogenization of light of the type mentioned above, with which a substantially homogeneous intensity distribution can be generated in a simple manner in a working plane.
  • each of the lens elements has a surface contour that can be obtained by a raytracing method using the refraction law, wherein the surface contours of the lens elements are shaped so that during operation of the device partial beams of the light striking the device, the can be refracted by different lens elements, superimposed in a working plane such that in the working plane, a substantially homogeneous intensity distribution can be generated.
  • a line pattern or a surface pattern with a substantially homogeneous intensity distribution can be generated in the working plane of the device without a Fourier lens having to be arranged in the beam propagation direction behind the device for homogenizing light.
  • the surface contours and cross sections of the individual lens elements are shaped such that partial beams, which in each case pass through different lens elements, can be superposed in the working plane. Due to the fact that the surface contours of the lens elements are obtainable according to the invention by a ray tracing method (ray tracing method) using the refraction law, the surface contours can be obtained and cross-sections optimally shaped and adapted to the beam path, so that in the working plane, the desired homogeneous intensity distribution in the form of an intensity pattern, such as a surface pattern or a line pattern can be generated.
  • ray tracing method ray tracing method
  • a Fourier lens In the beam path behind the device for homogenizing light a Fourier lens is not necessarily required, so that undesirable effects such as absorption losses or reflection losses on the Fourier lens or the influence of lens aberrations are avoided.
  • a Fourier lens is arranged in the beam path behind the device for homogenizing light. Then, the surface contours and cross sections of the lens elements obtainable by the ray tracing method using the law of refraction must be appropriately shaped differently to account for the refraction of the light at the Fourier lens.
  • At least a part of the lens elements has an asymmetrical cross section.
  • the surface contour of each of the lens elements is writable by a polynomial having even and odd polynomial parts.
  • the surface contour of at least part of the lens elements is dominated by the odd polynomial parts.
  • These odd polynomial parts are in particular for the asymmetry of the cross sections of Lens elements and the correspondingly shaped surface contours of the lens elements responsible.
  • the lens elements preferably have substantially identical widths in a direction (x) in which the lens elements are arranged next to one another.
  • the device can have a plurality of lens elements on a light entry surface and on a light exit surface.
  • Such a two-stage embodiment of the device for homogenizing light is advantageous for numerous fields of application.
  • At least a part of the lens elements may be convex.
  • lens elements may alternatively or additionally be provided that at least a part of the lens elements is concave.
  • the lens elements are cylindrical lens elements.
  • Cylindrical lens elements have the advantage that their longitudinal axes extend in a spatial direction, so that they can be produced relatively simply and inexpensively with the corresponding cross section and the surface contour.
  • the longitudinal axes of the cylindrical lens elements can be oriented on the light entry surface perpendicular to the longitudinal axes of the cylindrical lens elements on the light exit surface.
  • a surface contour of each of the lens elements is determined by means of a ray tracing method using the law of refraction so that, during operation of the device, the refracted light from the lens elements can be superimposed in the working plane so that the intensity distribution of the light selected in the preceding step can be generated;
  • the lens elements are the same as in the previous one
  • Process step generated certain surface contours.
  • the determination of the surface contours of the lens elements of the device takes place by means of the ray tracing method
  • the surface contour of each of the lens elements is described by a polynomial with even and odd polynomial parts.
  • the device is made from at least one substrate.
  • the lens elements may preferably be produced on a first interface of the at least one substrate.
  • further lens elements can be produced on a second boundary surface of the at least one substrate that lies opposite the first boundary surface of the at least one substrate.
  • Such a two-stage embodiment of the device for homogenizing light is advantageous for numerous applications.
  • the device is produced from two substrates on which the lens elements are produced. This embodiment is particularly expedient if the device for homogenizing light has two optically functional interfaces, in particular a light entry surface and a light exit surface, on each of which a plurality of lens elements are arranged.
  • the refraction g (x) of the light at a Fourier lens that of the device for the homogenization of light during operation is assigned, is determined before the surface contours of the lens elements are determined. If the refraction g (x) of the light at the Fourier lens is known, then the ray tracing method can again be carried out using the law of refraction in order to determine the surface contours and cross sections of the lens elements. In the determination of the surface contours and cross sections of the lens elements, the refraction of individual partial beams at the Fourier lens is then included.
  • FIG. 1 is a schematic side view of an apparatus for homogenizing light according to a first embodiment of the present invention
  • Fig. 2 is a schematic side view of the device for homogenizing light according to a second embodiment of the present invention.
  • a schematic side view of a device for homogenizing light according to a first embodiment of the present invention.
  • the device comprises a substrate 1 which has a substantially planar light entry surface.
  • the substrate 1 comprises a plurality of lens elements 10, 1 1, 12, which are cylindrical lens elements in this embodiment.
  • the longitudinal axes of the lens elements 10, 1 1, 12 extend perpendicular to the plane in the y-direction.
  • only three lens elements 10, 11, 12 are shown in FIG.
  • a multiplicity of further lens elements can be arranged next to one another in the x-direction.
  • all the lens elements 10, 11, 12 in this exemplary embodiment have a substantially convex shape in sections, the lens elements 10, 11, 12 each having different cross sections and surface contours and, consequently, also different expansions in the beam propagation direction (z direction) ,
  • the cross-sections of the individual lens elements 10, 11, 12 are designed such that a collimated, essentially parallel light beam, which impinges on the device for homogenizing light, can be imaged into a working plane 2, so that by superimposing individual partial beams 3a - 3c, 4a-4c, 5a-5c in the working plane 2 a substantially homogeneous intensity distribution can be generated.
  • the dimensions (widths) of the lens elements 10, 11, 12 in the x direction are substantially identical in this exemplary embodiment, in order to simplify the determination of the cross sections of the lens elements 10, 11, 12 with the method presented below for producing the device.
  • Different widths of the lens elements 10, 11, 12 in the x-direction are basically possible, but make it difficult to determine the cross-sections and surface contours of the individual lens elements 10, 11, 12.
  • each of the lens elements 10, 11, 12 is determined separately prior to the formation of the lens elements 10, 11, 12 on the substrate by means of a ray tracing method using the law of refraction.
  • the dimensions and thus the thicknesses of the lens elements 10, 11, 12 in the beam propagation direction (z-direction) are also implicitly determined.
  • the refractive index n of the substrate 1 should be known.
  • the spatial intensity distribution of the light (in particular the length and / or the width of the intensity pattern) in the working plane 2 of the device for homogenizing light must be selected before the ray tracing method can be performed using the law of refraction to the surface contours and cross sections of the lens elements 10, 1 1, 12 to determine.
  • the surface contour can be described mathematically, for example with the aid of a polynomial of degree k. This makes it possible to carry out the raytracing method with relatively little effort.
  • each of the lens elements 10, 11, 12 can be described separately by the tenth degree polynomial shown below:
  • the intensity distribution to be generated during operation of the device for homogenizing light in the working plane 2-in particular its geometric properties, for example the length or the width of the intensity pattern-is selected in the working plane 2 and thus known as the input parameter then raytracing can be performed Method using the law of refraction for each of the lens elements 10, 1 1, 12, the individual coefficients U 1 of the polynomial f q (x) shown above, which are associated with the even and odd portions of the polynomial f q ( ⁇ ) determined numerically become.
  • the even portions of the polynomial f q ( ⁇ ) above all the odd portions of the polynomial play an important role, since these determine the degree of asymmetry of the cross sections of the lens elements 10, 11, 12. This means in other words that, depending on the odd coefficients of the polynomial, f q (x), with which the
  • each of the lens elements 10, 1 1, 12 can be described separately, the surface contours of the lens elements 10, 1 1, 12 have different symmetry properties. The more dominate the odd portions of the polynomial, the more asymmetrical is the cross-section of the lens elements 10, 1 1, 12th
  • the lens elements 10, 11, 12 are then produced on the substrate 1. It can be seen from the illustration in FIG. 1 that the cross sections, surface contours and symmetry properties of the individual lens elements 10, 11, 12 are very different. While in Fig. 1, the cross sections of the first lens element 10 and the second lens element 1 1 have significant asymmetries, the third lens element 12 is almost mirror-symmetrical with respect to a yz plane. These different symmetry properties and surface contours of the lens elements 10, 1 1, 12 have the consequence that individual parts of the collimated, substantially parallel light beam, which strikes the device for homogenizing light, at the individual lens elements 10, 1 1, 12 different strengths to get broken. This different refraction of individual parts of the parallel light beam at the different lens elements 10, 11, 12 is indicated in FIG.
  • Fig. 1 for each of the lens elements 10, 1 1, 12 each three partial beams 3a - 3c, 4a - 4c, 5a - 5c drawn. It can be seen that the partial beams 3a - 3c, 4a - 4c, 5a - 5c are refracted at the lens elements 10, 11, 12 in such a way that they partially overlap in the working plane 2 of the device for homogenizing light.
  • the beam path of the individual sub-beams 3a-3c, 4a-4c and 5a-5c shown by way of example can be taken directly from the illustration in FIG.
  • the first partial beam 3a which passes through the first lens element 10, is refracted at the light exit surface so that it is refracted in the working plane 2 with the first partial beam 4a, which is refracted at the light exit surface of the second lens element 11 and first partial beam 5a, which at the light exit surface of the third lens element 12 is refracted superimposed.
  • the second and third partial beams 3b, 3c which pass through the first lens element 10 and the corresponding partial beams 4b, 4c, which pass through the second lens element 1 1 and the corresponding partial beams 5b, 5c, which pass through the third lens element 12 and at the corresponding light exit surfaces of the lens elements 10, 1 1, 12 are broken.
  • an intensity pattern can be generated in the working plane 2, which can be, for example, a line pattern or a surface pattern.
  • FIG. 1 shows schematically a side view of a second embodiment of the device for homogenization of light.
  • the device again comprises a substrate 1 which has a plane light entry surface.
  • the substrate 1 On a light exit surface, the substrate 1 has a plurality of lens elements 10, 1 1, 12, which in turn are cylindrical lens elements in this embodiment, whose longitudinal axes extend perpendicular to the plane in the y-direction.
  • lens elements 10, 1 1, 12 For reasons of simplification, only three lens elements 10, 11, 12 are shown explicitly again in FIG.
  • a multiplicity of further lens elements can also be arranged next to one another in the x-direction in this exemplary embodiment.
  • a Fourier lens 6 is additionally arranged behind the lens elements 10, 11, 12 in the z direction (beam propagation direction).
  • the Fourier lens 6 has a convexly shaped light entry surface and a planar light exit surface.
  • a collimated, substantially parallel light beam impinging on the device for homogenizing light is refracted at the lens elements 10, 11, 12 and at the Fourier lens 6 and imaged in a working plane 2 in order to generate a substantially homogeneous intensity distribution there can.
  • the surface contour and thus the cross section of each of the lens elements 10, 1 1, 12 at the light exit surface as explained previously in connection with the first embodiment, separately determined using the ray tracing method using the law of refraction before the lens elements 10, 1 1, 12 are generated on the substrate 1.
  • the surface contour of each of the lens elements 10, 11, 12 is described mathematically, preferably with the aid of a polynomial of degree k, separately.
  • a Fourier lens 6 is arranged in the z direction behind the device for homogenizing light, in addition to the knowledge of the refractive index n of the substrate 1 and the Knowledge of a function g (x), which describes the refraction of the light at the Fourier lens 6 as a function of the position x required.
  • the refraction of the light g (x) at the Fourier lens 6 is determined before the surface contours and cross sections of each of the lens elements 10, 11, 12 can be determined separately by means of the ray tracing method using the law of refraction.
  • the widths of the lens elements 10, 11, 12 in the x direction are in turn substantially identical in order to simplify the determination of surface surface contours and cross sections of the lens elements 10, 11, 12. However, it can also be provided that the widths of individual lens elements 10, 11, 12 deviate from the widths of the other lens elements 10, 11, 12.
  • each individual lens element 10, 1 1, 12 is shaped so that the device for the homogenization of Light-collimated light beam is refracted at the light exit surfaces of the lens elements 10, 1 1, 12 and then to the Fourier lens 6 that can be generated by superimposing individual partial beams 3a - 3c, 4a - 4c in the working plane 2, a substantially homogeneous intensity distribution ,
  • FIG. 2 three sub-beams 3a-3c and 4a-4c are shown by way of example for two of the lens elements 10, 11, 12, in order to refract these partial beams 3a-3c, 4a-4c at the light exit surfaces of the lens elements 10, 11. 12 and subsequently to the Fourier lens 6 to illustrate. It can be seen, for example, that a first partial beam 3a, which is refracted at the light exit surface of the first lens element 10 and at the Fourier lens 6, in the working plane 2 with a corresponding first partial beam 4a, at the light exit surface of the second lens element 1 1 and following the Fourier lens 6 is refracted, superimposed.
  • an intensity pattern with a substantially homogeneous intensity distribution can be generated, which in particular can be a line pattern or a surface pattern.
  • An advantage of the second embodiment of the device for homogenizing light shown in FIG. 2 is in particular that by a suitable choice of another Fourier lens whose refractive properties of those of the Fourier lens 6, to which the cross-sections and surface contours of the lens elements 10, 1 1, 12 were adapted in the manufacture of the device, the lateral extent of the intensity pattern, which can be generated in the working plane 2, can be changed on a relatively small scale. This change can be made until the deviation of the refractive properties of the Fourier lens causes too large a lens error, which in practice is no longer justifiable.
  • the homogenizers used there can be replaced by the device presented here for the homogenization of light.
  • the substrate 1 then has lens elements both on the light entry surface and on the light exit surface, wherein the surface contour and the cross section of each of the lens elements on the light entry surface or on the light exit surface is determined separately by means of the ray tracing method using the law of refraction.
  • the lens elements on the light entry surface and on the light exit surface may be cylindrical lens elements, each having longitudinal axes parallel to each other.
  • the longitudinal axes of the cylindrical lens elements on the light entry surface may be oriented perpendicular or parallel to the longitudinal axes of the cylindrical lens elements on the light exit surface.
  • two substrates can also be used. Then, first the lens elements are produced on the two substrates. In a subsequent process step, the substrates are then coupled together.
  • the substrate 1 or the substrates can be made of glass or of a crystalline material.
  • the substrate 1 may at least partially consist of quartz or CaF 2 .
  • the latter two materials are particularly suitable for applications in the ultraviolet spectral range.

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Homogenisierung von Licht, umfassend mindestens eine optisch funktionale Grenzfläche, eine Mehrzahl von Linsenelementen (10, 11, 12), die auf der mindestens einen optisch funktionalen Grenzfläche angeordnet sind, wobei jedes der Linsenelemente (10, 11, 12) eine Oberflächenkontur aufweist, die durch ein Raytracing-Verfahrens unter Anwendung des Brechungsgesetzes erhältlich ist, wobei die Oberflächenkonturen der Linsenelemente (10, 11, 12) so geformt sind, dass sich während des Betriebs der Vorrichtung Teilstrahlen des auf die Vorrichtung treffenden Lichts, die von unterschiedlichen Linsenelementen (10, 11, 12) gebrochen werden, in einer Arbeitsebene (2) derart überlagern können, dass in der Arbeitsebene (2) eine im Wesentlichen homogene Intensitätsverteilung erzeugt werden kann.

Description

Vorrichtung zur Homogenisierung von Licht und Verfahren zur
Herstellung der Vorrichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Homogenisierung von Licht, umfassend mindestens eine optisch funktionale Grenzfläche, durch die das zu homogenisierende Licht hindurchtreten kann, und eine Mehrzahl von Linsenelementen, die auf der mindestens einen optisch funktionalen Grenzfläche angeordnet sind. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur Homogenisierung von Licht, die mindestens eine optisch funktionale Grenzfläche aufweist, durch die ein zu homogenisierender Strahl hindurchtreten kann und die eine Mehrzahl von Linsenelementen umfasst, die auf der mindestens einen optisch funktionalen Grenzfläche angeordnet sind.
Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zur Homogenisierung von Licht und ein Verfahren zur Herstellung dieser Vorrichtung sind aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt.
Eine Grundvoraussetzung, um einen Lichtstrahl geeignet formen und in einen gewünschten Arbeitsbereich mit einer im Wesentlichen homogenen Intensitätsverteilung abbilden zu können, ist die Kenntnis der entsprechend einzusetzenden geometrischen Formen (zum Beispiel der Oberflächenkonturen und Querschnitte) der abbildenden Linsenelemente. Für eine Vielzahl von Standardproblemen der Strahlformung existieren bereits bewährte Verfahren, mit denen passende Linsenformen bestimmt werden können, so dass die Linsenelemente bei der Herstellung geeignet geformt werden können. Ein Beispiel für ein derartiges Standardproblem der Linsenformung ist die Bestimmung einer Linsenform, die einen kollimierten im Wesentlichen parallelen Lichtstrahl in einen möglichst kleinen
Brennpunkt abbildet. Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen zur Homogenisierung von Licht treten besondere Probleme auf. Bei der Strahlhomogenisierung wird beispielsweise ein kollimierter Laserstrahl durch die Vorrichtung zur Homogenisierung von Licht hindurchgeführt und schließlich mittels einer Fourierlinse in eine Arbeitsebene abgebildet. Die von den einzelnen Linsenelementen der Vorrichtung zur Homogenisierung von Licht gebrochenen Teilstrahlen überlagern sich in der Arbeitsebene derart, dass eine Homogenisierung des Lichtstrahls stattfindet. Um beispielsweise in der Arbeitsebene eine möglichst homogen beleuchtete Fläche oder Linie generieren zu können, wird im Strahlengang allerdings schon vor der Fourierlinse eine möglichst homogene Winkelverteilung der Lichtintensität benötigt. Jedoch kann selbst bei einer im Wesentlichen homogenen Winkelverteilung der Intensität kein ideal homogenes Feld beziehungsweise keine ideal homogene Linie erzeugt werden, da die in Strahlenausbreitungsrichtung hinter der Vorrichtung zur Homogenisierung von Licht angeordnete Fourierlinse die Teilstrahlen nicht optimal abbilden kann, da diese quasi aus verschiedenen Lichtquellen stammen. Dieser Umstand führt zu einem relativ hohen Aufwand bei der Strahlformung im Strahlengang hinter der Vorrichtung zur Homogenisierung von Licht.
Hier setzt die vorliegende Erfindung an.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Homogenisierung von Licht der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, mit der in einer Arbeitsebene auf einfache Weise eine im Wesentlichen homogene Intensitätsverteilung generiert werden kann. Darüber hinaus soll ein Verfahren der eingangs genannten Art zur Herstellung einer Vorrichtung zur Homogenisierung von Licht zur Verfügung gestellt werden, mit der in der Arbeitsebene auf einfache Weise eine homogene Intensitätsverteilung generiert werden kann.
Die Lösung liefert erfindungsgemäß hinsichtlich der Vorrichtung eine Vorrichtung der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 sowie hinsichtlich des Verfahrens ein Verfahren der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 1. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass jedes der Linsenelemente eine Oberflächenkontur aufweist, die durch ein Raytracing-Verfahrens unter Anwendung des Brechungsgesetzes erhältlich ist, wobei die Oberflächenkonturen der Linsenelemente so geformt sind, dass sich während des Betriebs der Vorrichtung Teilstrahlen des auf die Vorrichtung treffenden Lichts, die von unterschiedlichen Linsenelementen gebrochen werden, in einer Arbeitsebene derart überlagern können, dass in der Arbeitsebene eine im Wesentlichen homogene Intensitätsverteilung erzeugt werden kann. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann in der Arbeitsebene der Vorrichtung zur Homogenisierung von Licht beispielsweise ein Linienmuster oder ein Flächenmuster mit einer im Wesentlichen homogenen Intensitätsverteilung generiert werden, ohne dass in Strahlausbreitungsrichtung hinter der Vorrichtung zur Homogenisierung von Licht eine Fourierlinse angeordnet sein muss. Die Oberflächenkonturen und Querschnitte der einzelnen Linsenelemente sind so geformt, dass sich Teilstrahlen, die jeweils verschiedene Linsenelemente durchlaufen, in der Arbeitsebene überlagern können. Dadurch, dass die Oberflächenkonturen der Linsenelemente erfindungsgemäß durch ein Raytracing-Verfahren (Strahlverfolgungsverfahren) unter Anwendung des Brechungsgesetzes erhältlich sind, können die Oberflächenkonturen und Querschnitte optimal geformt und an den Strahlengang angepasst werden, damit in der Arbeitsebene die gewünschte homogene Intensitätsverteilung in Form eines Intensitätsmusters, beispielsweise eines Flächenmusters oder eines Linienmusters, generiert werden kann. Im Strahlengang wird hinter der Vorrichtung zur Homogenisierung von Licht eine Fourierlinse nicht zwingend benötigt, so dass unerwünschte Effekte wie zum Beispiel Absorptionsverluste oder Reflexionsverluste an der Fourierlinse oder der Einfluss von Linsenfehlern vermieden werden. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass im Strahlengang hinter der Vorrichtung zur Homogenisierung von Licht eine Fourierlinse angeordnet ist. Dann müssen die Oberflächenkonturen und Querschnitte der Linsenelemente, die durch das Raytracing-Verfahren unter Anwendung des Brechungsgesetzes erhältlich sind, entsprechend anders geformt sein, um die Brechung des Lichts an der Fourierlinse zu berücksichtigen.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist mindestens ein Teil der Linsenelemente einen asymmetrischen Querschnitt auf.
Vorzugsweise ist die Oberflächenkontur jedes der Linsenelemente durch ein Polynom beschreibbar, das gerade und ungerade Polynomanteile aufweist. Durch diese Maßnahme kann die Bestimmung der Querschnitte und Oberflächenkonturen der Linsenelemente vereinfacht werden, so dass die Vorrichtung zur Homogenisierung von Licht leichter und damit kostengünstiger hergestellt werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Oberflächenkontur mindestens eines Teils der Linsenelemente von den ungeraden Polynomanteilen dominiert. Diese ungeraden Polynomanteile sind insbesondere für die Asymmetrie der Querschnitte der Linsenelemente und die entsprechend geformten Oberflächenkonturen der Linsenelemente verantwortlich.
Vorzugsweise weisen die Linsenelemente in einer Richtung (x), in der die Linsenelemente nebeneinander angeordnet sind , im Wesentlichen identische Breiten auf. Dadurch kann die Bestimmung der Oberflächenkonturen und Querschnitte der Linsenelemente mittels des Raytracing-Verfahrens vereinfacht werden.
Gemäß einer Weiterbildung kann die Vorrichtung auf einer Lichteintrittsfläche und auf einer Lichtaustrittsfläche eine Mehrzahl von Linsenelementen aufweisen. Eine derartige zweistufige Ausführung der Vorrichtung zur Homogenisierung von Licht ist für zahlreiche Anwendungsgebiete vorteilhaft.
Dabei kann mindestens ein Teil der Linsenelemente konvex geformt sein.
Es kann alternativ oder zusätzlich auch vorgesehen sein, dass mindestens ein Teil der Linsenelemente konkav geformt ist.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass die Linsenelemente Zylinderlinsenelemente sind. Zylinderlinsenelemente haben den Vorteil, dass sich ihre Längsachsen in eine Raumrichtung erstrecken, so dass sie mit dem entsprechenden Querschnitt und der Oberflächenkontur relativ einfach und kostengünstig hergestellt werden können.
Dabei können gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform die Längsachsen der Zylinderlinsenelemente auf der Lichteintrittsfläche senkrecht zu den Längsachsen der Zylinderlinsenelemente auf der Lichtaustrittsfläche orientiert sein. Mittels der hier vorgestellten Vorrichtung zur Homogenisierung von Licht kann also durch eine Mittelung der Intensitäten einzelner Teilstrahlen des auf die Vorrichtung treffenden Lichts in der Arbeitsebene der Vorrichtung eine wesentlich gleichmäßigere Lichtverteilung erhalten werden. Insbesondere können in den Randbereichen des Intensitätsmusters in der Arbeitsebene mit der hier vorgestellten Vorrichtung erheblich steilere Intensitätsflanken erzielt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren gemäß Anspruch 11 ist durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet:
eine während des Betriebs der Vorrichtung in einer
Arbeitsebene zu generierende Intensitätsverteilung des Lichts wird gewählt;
eine Oberflächenkontur jedes der Linsenelemente wird mittels eines Raytracing-Verfahrens unter Anwendung des Brechungsgesetzes bestimmt, so dass beim Betrieb der Vorrichtung das von den Linsenelementen gebrochene Licht in der Arbeitsebene so überlagert werden kann, dass die im vorhergehenden Verfahrensschritt gewählte Intensitätsverteilung des Lichts erzeugt werden kann;
die Linsenelemente werden mit den im vorhergehenden
Verfahrensschritt bestimmten Oberflächenkonturen erzeugt.
Nach der Wahl des Bereichs in der Arbeitsebene der Vorrichtung zur Homogenisierung von Licht, in dem die im Wesentlichen homogene Intensitätsverteilung beim Betrieb der Vorrichtung generiert werden soll, erfolgt die Bestimmung der Oberflächenkonturen der Linseneiemente der Vorrichtung mittels des Raytracing-Verfahrens
(Strahlverfolgungsverfahrens) quasi in umgekehrter Richtung. Das heißt, dass die Teilstrahlen beim Raytracing-Verfahren von der Arbeitsebene der Vorrichtung ausgehend, in der sie später beim Betrieb der Vorrichtung eine im Wesentlichen homogene Intensitätsverteilung erzeugen sollen, den gesamten Strahlengang zurückverfolgt werden. Die passenden Oberflächenkonturen und Querschnitte der Linsenelemente können mittels des Raytracing- Verfahrens unter Anwendung des Brechungsgesetzes bestimmt werden und somit auf einfache Weise an den Strahlengang während des Betriebs der Vorrichtung zur Homogenisierung von Licht angepasst werden, da sämtliche Teilstrahlen, die sich in der Arbeitsebene überlagern, von der Arbeitsebene bis zur Lichtquelle zurückverfolgt werden.
Um die Bestimmung der Oberflächenkonturen der Linsenelemente zu mittels des Raytracing-Verfahrens weiter zu vereinfachen, wird in einer bevorzugten Ausführungsform vorgeschlagen, dass die Oberflächenkontur jedes der Linsenelemente durch ein Polynom mit geraden und ungeraden Polynomanteilen beschrieben wird.
Vorzugsweise wird die Vorrichtung aus mindestens einem Substrat hergestellt.
Die Linsenelemente können vorzugsweise auf einer ersten Grenzfläche des mindestens einen Substrats erzeugt werden.
Gemäß einer Variante können weitere Linsenelemente auf einer zweiten Grenzfläche des mindestens einen Substrats erzeugt werden, die der ersten Grenzfläche des mindestens einen Substrats gegenüberliegt. Eine derartige zweistufige Ausführung der Vorrichtung zur Homogenisierung von Licht ist für zahlreiche Anwendungen vorteilhaft. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung aus zwei Substraten hergestellt wird, auf denen die Linsenelemente erzeugt werden. Diese Ausführungsform ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn die Vorrichtung zur Homogenisierung von Licht zwei optisch funktionale Grenzflächen, insbesondere eine Lichteintrittsfläche und eine Lichtaustrittsfläche aufweist, auf denen jeweils eine Mehrzahl von Linsenelementen angeordnet.
Soll während des Betriebs in Strahlausbreitungsrichtung hinter der Vorrichtung zur Homogenisierung von Licht eine zusätzliche Fourierlinse angeordnet werden, wird gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens vorgeschlagen, dass die Brechung g(x) des Lichts an einer Fourierlinse, die der Vorrichtung zur Homogenisierung von Licht während des Betriebs zugeordnet ist, ermittelt wird, bevor die Oberflächenkonturen der Linsenelemente bestimmt werden. Ist die Brechung g(x) des Lichts an der Fourierlinse bekannt, kann dann wiederum das Raytracing-Verfahren unter Anwendung des Brechungsgesetzes durchgeführt werden, um die Oberflächenkonturen und Querschnitte der Linsenelemente zu bestimmen. In die Bestimmung der Oberflächenkonturen und Querschnitte der Linsenelemente wird dann die Brechung einzelner Teilstrahlen an der Fourierlinse einbezogen.
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 eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung zur Homogenisierung von Licht gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine schematische Seitenansicht der Vorrichtung zur Homogenisierung von Licht gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Zur Vereinfachung der Darstellung sind in beiden Figuren kartesische Koordinatensysteme eingezeichnet.
Zunächst wird auf Fig. 1 Bezug genommen, in der eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung zur Homogenisierung von Licht gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt ist. Die Vorrichtung umfasst ein Substrat 1 , das eine im Wesentlichen plan ausgeführte Lichteintrittsfläche aufweist. Auf einer Lichtaustrittsfläche umfasst das Substrat 1 eine Mehrzahl von Linsenelementen 10, 1 1 , 12, die in diesem Ausführungsbeispiel Zylinderlinsenelemente sind. Die Längsachsen der Linsenelemente 10, 1 1 , 12 erstrecken sich senkrecht zur Zeichenebene in y-Richtung. Aus Vereinfachungsgründen sind in Fig. 1 lediglich drei Linsenelemente 10, 1 1 , 12 dargestellt. Natürlich können in x-Richtung zusätzlich zu den hier explizit gezeigten Linsenelementen 10, 1 1 , 12 eine Vielzahl weiterer Linsenelemente nebeneinander angeordnet sein. Man erkennt, dass alle Linsenelemente 10, 1 1 , 12 in diesem Ausführungsbeispiel abschnittsweise im Wesentlichen konvex geformt sind, wobei die Linsenelemente 10, 1 1 , 12 jeweils unterschiedliche Querschnitte und Oberflächenkonturen und damit einhergehend auch unterschiedliche Ausdehnungen in Strahlausbreitungsrichtung (z- Richtung) aufweisen.
Die Querschnitte der einzelnen Linsenelemente 10, 1 1 , 12 sind so gestaltet, dass ein kollimierter, im Wesentlichen paralleler Lichtstrahl, der auf die Vorrichtung zur Homogenisierung von Licht trifft, in eine Arbeitsebene 2 abgebildet werden kann, so dass durch Überlagerung einzelner Teilstrahlen 3a - 3c, 4a - 4c, 5a - 5c in der Arbeitsebene 2 eine im Wesentlichen homogene Intensitätsverteilung generiert werden kann.
Die Ausdehnungen (Breiten) der Linsenelemente 10, 1 1 , 12 in x- Richtung sind in diesem Ausführungsbeispiel im Wesentlichen identisch, um die Bestimmung der Querschnitte der Linsenelemente 10, 1 1 , 12 mit dem nachfolgend vorgestellten Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung zu vereinfachen. Unterschiedliche Breiten der Linsenelemente 10, 1 1 , 12 in x-Richtung sind grundsätzlich möglich, erschweren aber die Bestimmung der Querschnitte und Oberflächenkonturen der einzelnen Linsenelemente 10, 1 1 , 12.
Der Querschnitt und die Oberflächenkontur jedes der Linsenelemente 10, 1 1 , 12 wird vor der Erzeugung der Linsenelemente 10, 1 1 , 12 auf dem Substrat mit Hilfe eines Raytracing-Verfahrens (Strahlverfolgungsverfahrens) unter Anwendung des Brechungsgesetzes separat bestimmt. Dabei werden implizit auch die Ausdehnungen und damit die Dicken der Linsenelemente 10, 1 1 , 12 in Strahlausbreitungsrichtung (z-Richtung) bestimmt. Damit das Raytracing-Verfahren durchgeführt werden kann, muss insbesondere der Brechungsindex n des Substrats 1 bekannt sein. Ferner muss die räumliche Intensitätsverteilung des Lichts (insbesondere die Länge und/oder die Breite des Intensitätsmusters) in der Arbeitsebene 2 der Vorrichtung zur Homogenisierung von Licht gewählt werden, bevor das Raytracing-Verfahren unter Anwendung des Brechungsgesetzes durchgeführt werden kann, um die Oberflächenkonturen und Querschnitte der Linsenelemente 10, 1 1 , 12 zu bestimmen.
Um die Bestimmung der Oberflächenkontur und des Querschnitts jedes einzelnen Linsenelements 10, 1 1 , 12 mittels des Raytracing- Verfahrens zu vereinfachen, kann die Oberflächenkontur mathematisch beispielsweise mit Hilfe eines Polynoms des Grades k beschrieben werden. Damit lässt sich das Raytracing-Verfahren mit relativ geringem Aufwand durchführen.
Beispielsweise kann die Oberflächenkontur jedes der Linsenelemente 10, 1 1 , 12 durch das nachfolgend dargestellte Polynom zehnten Grades separat beschrieben werden:
f (X) = U^U1 - x +U2 - x + U3 - X + U X + U5 - X + UK - X +
10
Un x + US x + Ua - x +U, 10 x
Der Index q bezeichnet dabei die Nummer desjenigen Linsenelements 10, 1 1 , 12, dessen Oberflächenkontur durch das Polynom /?(x) beschrieben wird. Es soll an dieser Stelle ausdrücklich erwähnt werden, dass das hier gezeigte Polynom /9O0 des Grades k=10 nur beispielhaft dargestellt ist. Es ist auch möglich, ein anderes Polynom fq(x) , das einen höheren oder niedrigeren Grad besitzt, zur mathematischen Beschreibung der Oberflächenkontur jedes der Linsenelemente 10, 11 , 12 einzusetzen. Die Wahl des Polynomgrades hängt unter anderem von der benötigten Genauigkeit ab, mit der die Bestimmung der Oberflächenkontur des jeweiligen Linsenelements 10, 1 1 , 12 erfolgen soll. Für jedes der Linsenelemente kann ein anderes Polynom fg(x) eingesetzt werden.
Ist die während des Betriebs der Vorrichtung zur Homogenisierung von Licht in der Arbeitsebene 2 zu generierende Intensitätsverteilung - insbesondere deren geometrische Eigenschaften wie zum Beispiel die Länge beziehungsweise die Breite des Intensitätsmusters - in der Arbeitsebene 2 gewählt und damit als Eingangsparameter bekannt, können dann mittels des Raytracing-Verfahrens unter Anwendung des Brechungsgesetzes für jedes der Linsenelemente 10, 1 1 , 12 die einzelnen Koeffizienten U1 des oben gezeigten Polynoms fq(x) , die den geraden beziehungsweise den ungeraden Anteilen des Polynoms fq(χ) zugeordnet sind, numerisch bestimmt werden. Dabei spielen neben den geraden Anteilen des Polynoms fq(χ) vor allem die ungeraden Anteile des Polynoms eine bedeutende Rolle, da diese den Grad der Asymmetrie der Querschnitte der Linsenelemente 10, 1 1 , 12 bestimmen. Das bedeutet mit anderen Worten, dass in Abhängigkeit von den ungeraden Koeffizienten des Polynoms fq(x) , mit denen die
Oberflächenkontur jedes der Linsenelemente 10, 1 1 , 12 separat beschrieben werden kann, die Oberflächenkonturen der Linsenelemente 10, 1 1 , 12 unterschiedliche Symmetrieeigenschaften aufweisen. Je stärker die ungeraden Anteile des Polynoms dominieren, desto asymmetrischer ist der Querschnitt der Linsenelemente 10, 1 1 , 12.
Auf Basis der mittels des Raytracing-Verfahrens bestimmten Querschnitte und Oberflächenkonturen werden dann auf dem Substrat 1 die Linsenelemente 10, 11 , 12 erzeugt. Anhand der Darstellung in Fig. 1 kann man erkennen, dass die Querschnitte, Oberflächenkonturen und Symmetrieeigenschaften der einzelnen Linsenelemente 10, 1 1 , 12 sehr unterschiedlich sind. Während in Fig. 1 die Querschnitte des ersten Linsenelements 10 und des zweiten Linsenelement 1 1 erhebliche Asymmetrien aufweisen, ist das dritte Linsenelement 12 nahezu spiegelsymmetrisch bezüglich einer y-z-Ebene. Diese unterschiedlichen Symmetrieeigenschaften und Oberflächenkonturen der Linsenelemente 10, 1 1 , 12 haben zur Folge, dass einzelne Teile des kollimierten, im Wesentlichen parallelen Lichtstrahls, der auf die Vorrichtung zur Homogenisierung von Licht trifft, an den einzelnen Linsenelementen 10, 1 1 , 12 unterschiedlich stark gebrochen werden. Diese unterschiedliche Brechung einzelner Teile des parallelen Lichtstrahls an den verschiedenen Linsenelementen 10, 1 1 , 12 ist in Fig. 1 angedeutet.
Um die unterschiedliche Brechung des auf die Vorrichtung zur Homogenisierung von Licht treffenden Lichtstrahls an den Lichtaustrittsflächen der Linsenelemente 10, 1 1 , 12 nachfolgend einfacher erläutern zu können, sind in Fig. 1 für jedes der Linsenelemente 10, 1 1 , 12 jeweils drei Teilstrahlen 3a - 3c, 4a - 4c, 5a - 5c eingezeichnet. Man erkennt, dass die Teilstrahlen 3a - 3c, 4a - 4c, 5a - 5c an den Linsenelementen 10, 1 1 , 12 in der Weise gebrochen werden, dass sie sich in der Arbeitsebene 2 der Vorrichtung zur Homogenisierung von Licht teilweise überlagern. Der Strahlverlauf der einzelnen, exemplarisch dargestellten Teilstrahlen 3a - 3c, 4a - 4c beziehungsweise 5a - 5c ist unmittelbar der Darstellung in Fig. 1 entnehmbar. Man erkennt, dass der erste Teilstrahl 3a, der durch das erste Linsenelement 10 hindurchtritt, an der Lichtaustrittsfläche so gebrochen wird, dass er sich in der Arbeitsebene 2 mit dem ersten Teilstrahl 4a, der an der Lichtaustrittsfläche des zweiten Linsenelements 1 1 gebrochen wird und dem ersten Teilstrahl 5a, der an der Lichtaustrittsfläche des dritten Linsenelements 12 gebrochen wird, überlagert. Entsprechendes gilt für die zweiten und dritten Teilstrahlen 3b, 3c, die durch das erste Linsenelement 10 hindurchtreten und die korrespondierenden Teilstrahlen 4b, 4c, die durch das zweite Linsenelement 1 1 hindurchtreten sowie die korrespondierenden Teilstrahlen 5b, 5c, die durch das dritte Linsenelement 12 hindurchtreten und an den entsprechenden Lichtaustrittsflächen der Linsenelemente 10, 1 1 , 12 gebrochen werden.
Durch die Überlagerung der verschiedenen Teilstrahlen 3a - 3c, 4a - 4c beziehungsweise 5a - 5c, die durch die unterschiedlichen asymmetrischen Querschnitte und die unterschiedlichen Oberflächenkonturen mindestens eines Teils der Linsenelemente 10, 1 1 , 12 hervorgerufen wird, kann in der Arbeitsebene 2 eine im Wesentlichen homogene Intensitätsverteilung des Lichts erzeugt werden. Auf diese Weise kann in der Arbeitsebene 2 ein Intensitätsmuster generiert werden, das beispielsweise ein Linienmuster oder ein Flächenmuster sein kann.
Ein wesentlicher Vorteil der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung besteht darin, dass in dieser Ausführungsform in Strahlausbreitungsrichtung (z-Richtung) hinter den Linsenelementen 10, 1 1 , 12 keine zusätzliche Fourierlinse benötigt wird, um das Licht in die Arbeitsebene 2 abzubilden und dort eine im Wesentlichen homogene Intensitätsverteilung zu generieren. Der Verzicht auf eine Fourierlinse spart Material und damit Kosten. Ferner können einige Nachteile, die mit der Verwendung einer Fourierlinse verbunden sind, wie zum Beispiel die Absorption des Lichts beim Hindurchtritt durch die Fourierlinse, mögliche Intensitätsverluste durch Reflexionen sowie der Einfluss von Linsenfehlern auf die Strahlqualität vermieden werden. Fig. 2 zeigt schematisch eine Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform der Vorrichtung zur Homogenisierung von Licht. Die Vorrichtung umfasst in dieser zweiten Ausführungsform wiederum ein Substrat 1 , das eine plane Lichteintrittsfläche aufweist. Auf einer Lichtaustrittsfläche weist das Substrat 1 eine Mehrzahl von Linsenelementen 10, 1 1 , 12 auf, die in diesem Ausführungsbeispiel wiederum Zylinderlinsenelemente sind, deren Längsachsen sich senkrecht zur Zeichenebene in y-Richtung erstrecken. Aus Vereinfachungsgründen sind in Fig. 2 wiederum nur drei Linsenelemente 10, 1 1 , 12 explizit dargestellt. Natürlich können auch in diesem Ausführungsbeispiel eine Vielzahl weiterer Linsenelemente in x-Richtung nebeneinander angeordnet sein.
Im Unterschied zur oben beschriebenen ersten Ausführungsform ist hier in z-Richtung (Strahlausbreitungsrichtung) hinter den Linsenelementen 10, 1 1 , 12 zusätzlich eine Fourierlinse 6 angeordnet. Die Fourierlinse 6 weist in diesem Ausführungsbeispiel eine konvex geformte Lichteintrittsfläche und eine plane Lichtaustrittsfläche auf. Ein kollimierter, im Wesentlichen paralleler Lichtstrahl, der auf die Vorrichtung zur Homogenisierung von Licht trifft, wird an den Linsenelementen 10, 1 1 , 12 und an der Fourierlinse 6 gebrochen und in eine Arbeitsebene 2 abgebildet, um dort eine im Wesentlichen homogene Intensitätsverteilung generieren zu können.
Die Oberflächenkontur und damit der Querschnitt jedes der Linsenelemente 10, 1 1 , 12 an der Lichtaustrittsfläche wird, wie bereits zuvor im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel erläutert, mit Hilfe des Raytracing-Verfahrens unter Anwendung des Brechungsgesetzes separat bestimmt, bevor die Linsenelemente 10, 1 1 , 12 auf dem Substrat 1 erzeugt werden. Die Oberflächenkontur jedes der Linsenelemente 10, 1 1 , 12 wird mathematisch vorzugsweise mit Hilfe eines Polynoms des Grades k separat beschrieben. Beispielsweise kann die Oberflächenkontur jedes der Linsenelemente 10, 1 1 , 12 durch das bereits oben im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel gezeigte Polynom fq(χ) des Grades k=10 beschrieben werden. Alternativ kann aber auch ein anderes Polynom eingesetzt werden.
Um das bereits oben beschriebene Raytracing-Verfahren unter Anwendung des Brechungsgesetzes in diesem Ausführungsbeispiel durchführen zu können, wenn in z-Richtung hinter der Vorrichtung zur Homogenisierung von Licht zusätzlich eine Fourierlinse 6 angeordnet ist, ist neben der Kenntnis des Brechungsindex n des Substrats 1 auch die Kenntnis einer Funktion g(x), welche die Brechung des Lichts an der Fourierlinse 6 in Abhängigkeit von der Position x beschreibt, erforderlich. Die Brechung des Lichts g(x) an der Fourierlinse 6 wird ermittelt, bevor die Oberflächenkonturen und Querschnitte jedes der Linsenelemente 10, 1 1 , 12 separat mit Hilfe des Raytracing-Verfahrens unter Anwendung des Brechungsgesetzes bestimmt werden können.
Die Breiten der Linsenelemente 10, 1 1 , 12 in x-Richtung sind wiederum im Wesentlichen identisch, um die Bestimmung Oberflächenflächenkonturen und Querschnitte der Linsenelemente 10, 1 1 , 12 zu vereinfachen. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die Breiten einzelner Linsenelemente 10, 1 1 , 12 von den Breiten der übrigen Linsenelemente 10, 1 1 , 12 abweichen.
Man erkennt, dass die Linsenelemente 10, 1 1 , 12 unterschiedliche Oberflächenkonturen und unterschiedliche asymmetrische Querschnitte aufweisen. Jedes einzelne Linsenelement 10, 1 1 , 12 ist so geformt, dass der auf die Vorrichtung zur Homogenisierung von Licht treffende kollimierte Lichtstrahl so an den Lichtaustrittsflächen der Linsenelemente 10, 1 1 , 12 und anschließend an der Fourierlinse 6 gebrochen wird, dass durch eine Überlagerung einzelner Teilstrahlen 3a - 3c, 4a - 4c in der Arbeitsebene 2 eine im Wesentlichen homogene Intensitätsverteilung generiert werden kann.
In Fig. 2 sind exemplarisch für zwei der Linsenelemente 10, 1 1 , 12 jeweils drei Teilstrahlen 3a - 3c beziehungsweise 4a - 4c eingezeichnet, um die Brechung dieser Teilstrahlen 3a - 3c, 4a - 4c an den Lichtaustrittsflächen der Linsenelemente 10, 1 1 , 12 sowie nachfolgend an der Fourierlinse 6 zu veranschaulichen. Man erkennt beispielsweise, dass sich ein erster Teilstrahl 3a, der an der Lichtaustrittsfläche des ersten Linsenelements 10 sowie an der Fourierlinse 6 gebrochen wird, in der Arbeitsebene 2 mit einem korrespondierenden ersten Teilstrahl 4a, der an der Lichtaustrittsfläche des zweiten Linsenelements 1 1 und nachfolgend an der Fourierlinse 6 gebrochen wird, überlagert. Entsprechendes gilt auch für die beiden übrigen Teilstrahlen 3b, 3c, die zunächst an der Lichtaustrittsfläche des ersten Linsenelements 10 und nachfolgend an der Fourierlinse 6 gebrochen werden, sowie für die korrespondierenden Teilstrahlen 4b und 4c, die zunächst an der Lichtaustrittsfläche des zweiten Linsenelements 1 1 und anschließend an der Fourierlinse 6 gebrochen werden. Dadurch kann in der Arbeitsebene 2 ein Intensitätsmuster mit einer im Wesentlichen homogenen Intensitätsverteilung generiert werden, das insbesondere ein Linienmuster oder ein Flächenmuster sein kann.
Ein Vorteil der in Fig. 2 dargestellten zweiten Ausführungsform der Vorrichtung zur Homogenisierung von Licht besteht insbesondere darin, dass durch eine geeignete Wahl einer anderen Fourierlinse, deren Brechungseigenschaften von denjenigen der Fourierlinse 6, auf die die Querschnitte und Oberflächenkonturen der Linsenelemente 10, 1 1 , 12 bei der Herstellung der Vorrichtung angepasst wurden, abweichen, die laterale Ausdehnung des Intensitätsmusters, das in der Arbeitsebene 2 generiert werden kann, in einem relativ kleinen Maßstab geändert werden kann. Diese Änderung kann so lange erfolgen, bis die Abweichung der Brechungseigenschaften der Fourierlinse zu große, in der Praxis nicht mehr ohne weiteres vertretbare Linsenfehler hervorruft.
Ferner können in optischen Systemen mit sphärischen Feldlinsen die dort eingesetzten Homogenisierer durch die hier vorgestellte Vorrichtung zur Homogenisierung von Licht ersetzt werden.
Gemäß einer Variante der beiden hier explizit dargestellten Ausführungsformen ist es möglich, die Vorrichtung zur Homogenisierung von Licht auch zweistufig auszuführen. Das bedeutet, dass das Substrat 1 dann sowohl auf der Lichteintrittsfläche als auch auf der Lichtaustrittsfläche Linsenelemente aufweist, wobei die Oberflächenkontur und der Querschnitt jedes der Linsenelemente auf der Lichteintrittsfläche beziehungsweise auf der Lichtaustrittsfläche separat mittels des Raytracing-Verfahrens unter Anwendung des Brechungsgesetzes bestimmt wird.
Beispielsweise können die Linsenelemente auf der Lichteintrittsfläche und auf der Lichtaustrittsfläche Zylinderlinsenelemente sein, die jeweils parallel zueinander verlaufende Längsachsen aufweisen. Die Längsachsen der Zylinderlinsenelemente auf der Lichteintrittsfläche können senkrecht oder parallel zu den Längsachsen der Zylinderlinsenelemente auf der Lichtaustrittsfläche orientiert sein.
Bei der Herstellung der Vorrichtung zur Homogenisierung von Licht können statt eines einzelnen Substrats 1 , auf dem die Linsenelemente 10, 1 1 , 12 erzeugt werden, auch zwei Substrate eingesetzt werden. Dann werden zunächst die Linsenelemente auf den beiden Substraten erzeugt. In einem sich daran anschließenden Verfahrensschritt werden dann die Substrate miteinander gekoppelt.
Das Substrat 1 beziehungsweise die Substrate kann/können aus Glas oder aus einem kristallinen Material hergestellt sein. Beispielsweise kann das Substrat 1 zumindest teilweise aus Quarz oder CaF2 bestehen. Die beiden letztgenannten Materialien eignen sich insbesondere für Anwendungen im ultravioletten Spektralbereich.

Claims

Patentansprüche:
1 . Vorrichtung zur Homogenisierung von Licht, umfassend:
mindestens eine optisch funktionale Grenzfläche, durch die das zu homogenisierende Licht hindurchtreten kann;
eine Mehrzahl von Linsenelementen (10, 1 1 , 12), die auf der mindestens einen optisch funktionalen Grenzfläche angeordnet sind,
dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Linsenelemente (10, 1 1 , 12) eine Oberflächenkontur aufweist, die durch ein Raytracing-Verfahrens unter Anwendung des Brechungsgesetzes erhältlich ist, wobei die Oberflächenkonturen der Linsenelemente (10, 1 1 , 12) so geformt sind, dass sich während des Betriebs der Vorrichtung Teilstrahlen des auf die Vorrichtung treffenden Lichts, die von unterschiedlichen Linsenelementen (10, 1 1 , 12) gebrochen werden, in einer Arbeitsebene (2) derart überlagern können, dass in der Arbeitsebene (2) eine im Wesentlichen homogene Intensitätsverteilung erzeugt werden kann.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der Linsenelemente (10, 1 1 , 12) einen asymmetrisch Querschnitt aufweist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenkontur jedes der Linsenelemente (10, 1 1 , 12) durch ein Polynom beschreibbar ist, das gerade und ungerade Polynomanteile aufweist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenkontur mindestens eines Teils der Linsenelemente (10, 1 1 , 12) von den ungeraden Polynomanteilen dominiert wird.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Linsenelemente (10, 1 1 , 12) in einer Richtung (x), in der die Linsenelement (10, 1 1 , 12) nebeneinander angeordnet sind, im Wesentlichen identische Breiten aufweisen.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung auf einer Lichteintrittsfläche und auf einer Lichtaustrittsfläche eine Mehrzahl von Linsenelementen (10, 1 1 , 12) aufweist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der Linsenelemente (10, 1 1 , 12) konvex geformt ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der Linsenelemente (10, 1 1 , 12) konkav geformt ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Linsenelemente (10, 1 1 , 12) Zylinderlinsenelemente sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsachsen der Zylinderlinsenelemente auf der Lichteintrittsfläche senkrecht zu den Längsachsen der Zylinderlinsenelemente auf der Lichtaustrittsfläche orientiert sind. 1 . Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur Homogenisierung von Licht, die mindestens eine optisch funktionale Grenzfläche aufweist, durch die das zu homogenisierende Licht hindurchtreten kann, und die eine Mehrzahl von Linsenelementen (10, 1 1 , 12) umfasst, die auf der mindestens einen optisch funktionalen Grenzfläche angeordnet sind, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
eine während des Betriebs der Vorrichtung in einer Arbeitsebene (2) zu generierende Intensitätsverteilung des Lichts wird gewählt;
eine Oberflächenkontur jedes der Linsenelemente (10, 1 1 , 12) wird mittels eines Raytracing-Verfahrens unter Anwendung des Brechungsgesetzes bestimmt, so dass beim Betrieb der Vorrichtung das von den Linsenelementen (10, 1 1 , 12) gebrochene Licht in der Arbeitsebene (2) so überlagert werden kann, dass die im vorhergehenden Verfahrensschritt gewählte Intensitätsverteilung des Lichts erzeugt werden kann;
die Linsenelemente (10,
1 1 , 12) werden mit den im vorhergehenden Verfahrensschritt bestimmten Oberflächenkonturen erzeugt.
12. Verfahren nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenkontur jedes der Linsenelemente (10, 1 1 , 12) durch ein Polynom mit geraden und ungeraden Anteilen beschrieben wird.
13. Verfahren nach Anspruch 1 1 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung aus mindestens einem Substrat (1 ) hergestellt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Linsenelemente (10, 1 1 , 12) auf einer ersten Grenzfläche des mindestens einen Substrats (1 ) erzeugt werden.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass weitere Linsenelemente auf einer zweiten Grenzfläche des mindestens einen Substrats (1 ) erzeugt werden, die der ersten Grenzfläche des mindestens einen Substrats (1 ) gegenüberliegt.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung aus zwei Substraten hergestellt wird, auf denen die Linsenelemente (10, 1 1 , 12) erzeugt werden.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Brechung g(x) des Lichts an einer Fourierlinse (2), die der Vorrichtung zur Homogenisierung von Licht während des Betriebs zugeordnet ist, ermittelt wird, bevor die Oberflächenkonturen der Linsenelemente (10, 1 1 , 12) bestimmt werden.
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