WO2008006460A1 - Vorrichtung zur homogenisierung von licht sowie laservorrichtung zur erzeugung einer linienförmigen intensitätsverteilung in einer arbeitsebene - Google Patents

Vorrichtung zur homogenisierung von licht sowie laservorrichtung zur erzeugung einer linienförmigen intensitätsverteilung in einer arbeitsebene Download PDF

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lenses
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light
lens array
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Andreas Bayer
Heiko Ganser
Torsten STEINBRÜCK
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Definitions

  • the present invention relates to a device for homogenizing light according to the preamble of claim 1 and to a laser device for producing a linear intensity distribution in a working plane according to the preamble of claim 7.
  • Homogenization of light have lens arrays in which a plurality, in particular all of the lenses are different from all other lenses in terms of aperture, focal length and possibly other parameters. By a particular random distribution of these different lenses in the array is a good
  • WO 2005/085935 Another device for homogenization is known from WO 2005/085935.
  • a plurality of biconvex cylindrical lenses are arranged side by side in a lens array, wherein each of the lenses is the same size and has the same focal length.
  • a top hat Such an intensity distribution has, for example, very good homogeneity and very steep flanks.
  • the falling flanks may have a defined pitch. This can in Homogenisierern according to the prior art by Defocusing can be achieved. However, the intensity profile generally deteriorates and is difficult to control.
  • An application for this purpose are, for example, long, compound lines, as they are to be generated by the laser device mentioned above.
  • long laser lines for example greater than 100 mm
  • the distance is at least as long as the line is long. In industrial applications, this much space is often not available, especially for line lengths of more than one meter.
  • a laser device of the type mentioned is known from US 6,717, 105 B1.
  • the laser device described therein comprises a plurality of laser light sources, each associated with an optical means.
  • the optical means each form laser beams with a linear intensity distribution from the laser light of the laser light sources, wherein these individual laser beams can be superimposed in a working plane to form a common line-shaped intensity distribution.
  • the center distances of the lenses decrease or increase from the inside to the outside.
  • the desired radiation characteristic of the homogenizer is realized by a variation of the center distance (pitch), in particular with a simultaneously constant focal length of the individual lenses of the lens array.
  • the center distance pitch
  • This principle is suitable for one-stage as well as two-stage homogenization, as well as for the use of a monolithic
  • the core of the invention is thus a homogenizer, which generates a defined, trapezoidal angular distribution for one or two axes.
  • the optical means of the laser device comprise a device according to the invention for homogenization.
  • Fig. 1 is a perspective view of an inventive
  • FIG. 2a shows a side view of a first embodiment of a device according to the invention for the homogenization of light
  • FIG. 2b shows a side view of a second embodiment of a device according to the invention for the homogenization of light
  • FIG. 4 shows an intensity distribution which can be achieved with a laser device according to the invention in arbitrary units.
  • FIG. 1 The basic principle of a laser device according to the invention is shown in FIG.
  • On display are seven laser modules 1 with similar, but not necessarily the same beam profile that illuminate a Optikmod ul.
  • seven optical means 2 are included for beam shaping, each generating laser light 3 with an at least partially line-shaped intensity distribution.
  • the special feature is that through the use of inventive
  • the laser modules 1, which illuminate that Optikmod ul, can be easily replaced due to the vast independence of the optical module from the input beam.
  • Fig. 2a shows a device according to the invention for
  • the lenses 6 are formed as cylindrical lenses with cylinder axes in the Y direction. It can be clearly seen that the pitch P 1 , P 2 of the lenses 6 in the center of the lens array 5 is smaller than at the edge. This is achieved in that the width of the lenses 6 in the X direction (see coordinate system shown), in which they are arranged side by side, increases from the center outwards. Alternatively, there is a possibility that the center distance decreases from the center to the outside.
  • the focal length of the lenses 6 is the same for all the lenses 6.
  • the focal length f ⁇ of the rear refractive surfaces in the Z direction may correspond to the thickness of the lenses 6 in the Z direction or in the propagating direction of the homogenizing light.
  • Fig. 2b shows a two-stage device according to the invention for the homogenization of light.
  • This comprises two lens arrays 7, 8, each having a plurality of lenses 9, 1 0. Again, take the center distance P 1 , P 2 of the lenses 7, 8 from the center outwards. Alternatively, there is also the possibility that the center distance decreases from the center to the outside.
  • the focal length of the lenses for all lenses 9 on the first lens array 7 and / or for all lenses 10 on the second lens array 8 is the same.
  • the focal length fio of the Z-direction rear refractive surfaces may correspond to the distance of the lenses 9 to the lenses 10 in the Z direction.
  • a plurality of cylindrical lenses with cylinder axes can then be arranged in the X direction, for example on the mutually facing sides of the lens arrays 7, 8 according to FIG. 2b.
  • These cylindrical lenses can be a corresponding from the
  • FIG. 3 shows that with such a device for homogenization, an intensity profile can be generated which has a central region of constant intensity and two edge regions with linearly decreasing intensity.
  • a defined, trapezoidal angular distribution for one or two axes can be generated.
  • This principle is suitable for one-stage as well as for a two-stage homogenization, as well as for the use of a monolithic homogenizer.
  • FIG. 4 shows a simulation result for the laser device. Two lines of the laser light 3 with trapezoidal intensity distribution, each 190 mm in length, are combined to form a linear intensity distribution 4. The homogeneity thereby achieved is about 96% or about + 1-2%.
  • flanks with constant slope of the intensity distribution of the individual lines of the laser light 3 can thus be superimposed optimally in the working plane to a linear intensity distribution 4.

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Abstract

Vorrichtung zur Homogenisierung von Licht, umfassend ein Linsenarray (5, 7, 8) mit einer Mehrzahl von Linsen (6, 9, 10), durch die das zu homogenisierende Licht hindurch treten kann, wobei mindestens zwei unterschiedliche Mittenabstände der Linsen (6, 9, 10) des Linsenarrays (5, 7, 8) vorgesehen sind, und wobei die Mittenabstände der Linsen (6, 9, 10) von innen nach außen abnehmen oder zunehmen. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Laservorrichtung zur Erzeugung einer linienförmigen Intensitätsverteilung in einer Arbeitsebene mit einer derartigen Vorrichtung zur Homogenisierung von Licht.

Description

"Vorrichtung zur Homogenisierung von Licht sowie
Laservorrichtung zur Erzeugung einer linienförmigen
Intensitätsverteilung in einer Arbeitsebene"
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Homogenisierung von Licht gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Laservorrichtung zur Erzeugung einer linienförmigen Intensitätsverteilung in einer Arbeitsebene gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 7.
Eine Vorrichtung der vorgenannten Art ist aus der US 2004/0130790 A1 bekannt. Die darin beschriebenen Vorrichtungen zur
Homogenisierung von Licht weisen Linsenarrays auf, bei denen eine Vielzahl, insbesondere sämtliche der Linsen unterschiedlich von allen anderen Linsen hinsichtlich Apertur, Brennweite und gegebenenfalls weiterer Parameter sind. Durch eine insbesondere zufällige Verteilung dieser unterschiedlichen Linsen in dem Array wird eine gute
Homogenisierung des Lichts erreicht.
Eine weitere Vorrichtung zur Homogenisierung ist aus der WO 2005/085935 bekannt. Bei der darin beschriebenen Vorrichtung sind eine Vielzahl von bikonvexen Zylinderlinsen nebeneinander in einem Linsenarray angeordnet, wobei jede der Linsen gleich groß ist und die gleiche Brennweite aufweist. Mit einer derartigen Vorrichtung lässt sich in einer Arbeitsebene eine Intensitätsverteilung erzielen, die als „Top-Hat" bezeichnet wird. Eine derartige Intensitätsverteilung weist beispielsweise eine sehr gute Homogenität und sehr steile Flanken auf.
Für spezielle Anwendung kann es aber erwünscht sein, dass die abfallenden Flanken eine definierte Steigung aufweisen. Dieses kann bei Homogenisierern gemäß dem Stand der Technik durch Defokussierung erreicht werden. Dabei verschlechtert sich aber im Allgemeinen das Intensitätsprofil und ist schwer kontrollierbar. Eine Anwendung hierfür sind beispielsweise lange, zusammengesetzte Linien, wie sie mit der eingangs genannten Laservorrichtung erzeugt werden sollen.
Gemäß dem Stand der Technik werden lange Laserlinien, die beispielsweise größer als 100 mm sind , nur durch einen entsprechend großen Abstand von Lichtquelle und Linie erzeugt. Typischerweise ist dabei der Abstand mindestens so groß, wie die Linie lang ist. Bei industriellen Anwendungen ist so viel Platz häufig nicht vorhanden, insbesondere bei Linienlängen von mehr als einem Meter.
Eine Laservorrichtung der eingangs genannten Art ist aus der US 6,717, 105 B1 bekannt. Die darin beschriebene Laservorrichtung umfasst eine Mehrzahl von Laserlichtquellen, denen jeweils ein Optikmittel zugeordnet ist. Die Optikmittel formen aus dem Laserlicht der Laserlichtquellen jeweils Laserstrahlen mit einer linienförmigen Intensitätsverteilung, wobei diese einzelnen Laserstrahlen in einer Arbeitsebene zu einer gemeinsamen linienförmigen Intensitätsverteilung überlagert werden können.
Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Problem ist die
Schaffung einer Vorrichtung der eingangs genannten Art, mit der sich in einer Arbeitsebene ein „Top-Hat-Profil" mit Flanken erzielen lässt, die eine definierte Steigung aufweisen. Weiterhin liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zugrunde, eine Laservorrichtung zur Verfügung zu stellen, mit der linienförmige Intensitätsverteilungen in einer Arbeitsebene erzeugt werden können, die relativ lang sind und bei denen die Quelle trotzdem nicht weit von der Arbeitsebene entfernt sein muss. Die wird erfindungsgemäß hinsichtlich der Vorrichtung durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 sowie hinsichtlich der Laservorrichtung durch eine Laservorrichtung der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 7 erreicht. Die
Unteransprüche betreffen bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung.
Gemäß Anspruch 1 ist vorgesehen , dass die Mittenabstände der Linsen von innen nach außen abnehmen oder zunehmen. Realisiert wird somit die gewünschte Abstrahlcharakteristik des Homogenisierers durch eine Variation des Mittenabstandes (Pitch), insbesondere bei gleichzeitig konstanter Brennweite der einzelnen Linsen des Linsenarrays. Dies hat zur Folge, dass sich im Brennpunkt einer Feldlinse Felder mit unterschiedlicher Größe überlagern . Dieses Prinzip eignet sich für eine einstufige als auch zweistufige Homogenisierung, sowie für den Einsatz eines monolithischen
Homogenisierers. Kern der Erfindung ist somit ein Homogenisierer, welcher eine definierte, trapezförmige Winkelverteilung für eine oder zwei Achsen erzeugt.
Gemäß Anspruch 7 umfassen die Optikmittel der Laservorrichtung eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Homogenisierung. Mögliche
Anwendungsgebiete derartiger Laservorrichtungen sind zum Beispiel Materialbearbeitungsmethoden, bei denen man in einem kleinen Arbeitsabstand von beispielsweise 25cm vom Laser lange Linien mit einer Breite von beispielsweise 1 10cm beleuchten möchte. 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 perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen
Laservorrichtung;
Fig. 2a eine Seitenansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Homogenisierung von Licht;
Fig. 2b eine Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Homogenisierung von Licht;
Fig. 3 eine mit einer der Vorrichtungen erzielbare
Intensitätsverteilung in willkürlichen Einheiten
Fig. 4 eine mit einer erfindungsgemäßen Laservorrichtung erzielbare Intensitätsverteilung in willkürlichen Einheiten.
Zur Verdeutlichung ist in einigen der Figuren ein kartesisches Koordinatensystem eingezeichnet.
Das Grundprinzip einer erfindungsgemäßen Laservorrichtung ist in Fig. 1 dargestellt. Zu sehen sind sieben Lasermodule 1 mit ähnlichem , aber nicht zwingend gleichem Strahlprofil, die ein Optikmod ul beleuchten. I n diesem Optikmodul sind sieben Optikmittel 2 zur Strahlformung enthalten , die jeweils Laserlicht 3 mit einer zumindest abschnittsweise linienförmigen Intensitätsverteilung erzeugen . Das Besondere ist dabei, dass durch den Einsatz von erfindungsgemäßen
Vorrichtungen zur Homogenisierung (siehe Fig . 2a und Fig . 2b) die Linienlänge und die Flankenform jeder einzelnen Linie des Laserlichts 3 so eingestellt wird , dass in der Arbeitsebene durch Überlagerung der einzelnen Linien des Laserlichts 3 eine linienförmige I ntensitätsverteilung 4 entsteht. Die zusammengesetzten sieben Teillinien des Laserlichts 3 ergeben eine homogene linienförmige
I ntensitätsverteilung 4.
Die Lasermodule 1 , die dass Optikmod ul beleuchten, können aufgrund der weitgehenden Unabhängigkeit des Optikmoduls vom Eingangsstrahl, problemlos ausgetauscht werden .
Fig. 2a zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur
Homogenisierung von Licht mit einem Linsenarray 5, das eine Mehrzahl von Linsen 6 aufweist. Die Linsen 6 sind als Zylinderlinsen mit Zylinderachsen in Y-Richtung ausgebildet. Es ist deutlich ersichtlich, dass der Mittenabstand (Pitch) P1 , P2 der Linsen 6 in der Mitte des Linsenarrays 5 kleiner ist als am Rand . Dies wird dadurch erreicht, dass die Breite der Linsen 6 in X-Richtung (siehe eingezeichnetes Koordinaten-System), in der sie nebeneinander angeordnet sind, von der Mitte nach außen zunimmt. Alternativ besteht die Möglichkeit, dass der M ittenabstand von der Mitte nach außen abnimmt.
Die Brennweite der Linsen 6 ist jedoch für sämtliche Linsen 6 gleich . Insbesondere kann die Brennweite fβ der in Z-Richtung hinteren brechenden Oberflächen der Dicke der Linsen 6 in Z-Richtung beziehungsweise in Ausbreitungsrichtung des homogenisierenden Lichts entsprechen.
Fig. 2b zeigt eine zweistufige erfindungsgemäße Vorrichtung zur Homogenisierung von Licht. Diese umfasst zwei Linsenarrays 7 , 8, die jeweils eine Mehrzahl von Linsen 9, 1 0 aufweisen . Auch hier nimmt der Mittenabstand P1 , P2 der Linsen 7, 8 von der Mitte nach außen zu. Alternativ besteht auch hier die Möglichkeit, dass der Mittenabstand von der Mitte nach außen abnimmt.
Auch bei dieser Vorrichtung ist die Brennweite der Linsen für sämtliche Linsen 9 auf dem ersten Linsenarray 7 und/oder für sämtliche Linsen 10 auf dem zweiten Linsenarray 8 gleich. Insbesondere kann die Brennweite fio der in Z-Richtung hinteren brechenden Oberflächen dem Abstand der Linsen 9 zu den Linsen 10 in Z-Richtung entsprechen.
Es besteht die Möglichkeit, die erfindungsgemäße Vorrichtung in zwei zueinander senkrechten Richtungen auszuführen. Dabei kann dann beispielsweise auf den einander zugewandten Seiten der Linsenarrays 7, 8 gemäß Fig. 2b jeweils eine Mehrzahl von Zylinderlinsen mit Zylinderachsen in X-Richtung angeordnet sein. Auch diese Zylinderlinsen können einen entsprechenden sich von der
Mitte nach außen verändernden Mittenabstand aufweisen.
Durch die Variation des Mittenabstandes (Pitch) der Linsen 6, 9, 10 bei gleichzeitig konstanter Brennweite der einzelnen Linsen 6, 9, 10 des Linsenarrays 5 wird eine Abstrahlcharakteristik der Vorrichtung zur Homogenisierung realisiert, die beispielhaft aus Fig. 3 ersichtlich ist. Diese Abstrahlcharakteristik entsteht dadurch, dass sich im Brennpunkt einer Feldlinse Felder mit unterschiedlicher Größe überlagern. Fig. 3 zeigt, dass mit einer derartigen Vorrichtung zur Homogenisierung ein Intensitätsprofil erzeugt werden kann, dass einen mittleren Bereich konstanter Intensität und zwei Randbereiche mit linear abfallender Intensität aufweist. Es kann also eine definierte, trapezförmige Winkelverteilung für eine oder zwei Achsen erzeugt werden. Dieses Prinzip eignet sich für eine einstufige als auch für eine zweistufige Homogenisierung, sowie für den Einsatz eines monolithischen Homogenisierers.
In Fig. 4 ist ein Simulationsergebnis für die Laservorrichtung abgebildet. Zwei Linien des Laserlichts 3 mit trapezförmiger Intensitätsverteilung mit je 190 mm Länge werden zu einer linienförmigen Intensitätsverteilung 4 zusammengesetzt. Die dabei erzielte Homogenität beträgt etwa 96% beziehungsweise etwa +1-2%.
Die Flanken mit konstanter Steigung der Intensitätsverteilung der einzelnen Linien des Laserlichts 3 können somit optimal in der Arbeitsebene zu einer linienförmigen Intensitätsverteilung 4 überlagert werden. Dabei ist bei vergleichsweise schwacher Steigung der Flanken eine große Toleranz gegenüber Justageungenauigkeiten in der Arbeitsebene gegeben.

Claims

Patentansprüche:
1. Vorrichtung zur Homogenisierung von Licht, umfassend ein Linsenarray (5, 7, 8) mit einer Mehrzahl von Linsen (6, 9, 10), durch die das zu homogenisierende Licht hindurch treten kann, wobei mindestens zwei unterschiedliche Mittenabstände der Linsen (6, 9, 10) des Linsenarrays (5, 7, 8) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittenabstände der Linsen (6, 9, 10) von innen nach außen abnehmen oder zunehmen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Mittenabstände der Linsen (6, 9, 10) in der Mitte des Linsenarrays (5, 7, 8) am kleinsten sind und von der Mitte zum Rand des Linsenarrays (5, 7, 8) kontinuierlich zunehmen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Mittenabstände der Linsen (6, 9, 10) in der Mitte des Linsenarrays (5, 7, 8) am größten sind und von der Mitte zum Rand des Linsenarrays (5, 7, 8) kontinuierlich abnehmen.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennweite (fβ, fio) mindestens einer Mehrzahl der Linsen (6, 9, 10), insbesondere sämtlicher Linsen (6, 9, 10) gleich ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zwei Linsenarrays (7, 8) mit einer Mehrzahl von Linsen (9, 10) umfasst, durch die das zu homogenisierende Licht hindurch treten kann, wobei insbesondere beide Linsenarrays (7, 8) gleich ausgebildet sind.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Linsen (6, 9, 10) als Zylinderlinsen ausgebildet sind.
7. Laservorrichtung zur Erzeugung einer linienförmigen Intensitätsverteilung (4) in einer Arbeitsebene, umfassend eine Mehrzahl von Lasermodulen (1 ), die Laserlicht aussenden können, sowie Optikmittel (2), die jeweils das von einem der Lasermodule (1 ) ausgehende Laserlicht derart formen können, dass das Laserlicht (3) der einzelnen Lasermodule (1 ) in der Arbeitsebene zu einer linienförmigen Intensitätsverteilung (4) überlagert werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Optikmittel (2) mindestens eine Vorrichtung zur Homogenisierung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 umfassen.
8. Laservorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Optikmittel (2) das von einem der Lasermodule (1 ) ausgehende Laserlicht derart formen können, dass jeweils Laserlicht (3) mit einer zumindest abschnittsweise linienförmigen Intensitätsverteilung erzeugt werden kann, wobei dieses Laserlicht (3) der einzelnen Lasermodule (1 ) mit der zumindest abschnittsweise linienförmigen Intensitätsverteilung in der Arbeitsebene zu einer linienförmigen Intensitätsverteilung (4) überlagert werden kann.
9. Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein jedes der Lasermodule (1 ) mindestens eine Laserlichtquelle umfasst.
10. Laservorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Laserlichtquelle als Laserdiodenbarren oder als Stack von Laserdiodenbarren ausgebildet ist.
1 1 . Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein jedes der Lasermodule (1 ) Kollimationsmittel, insbesondere mindestens eine Fast-Axis- Kollimationslinse und gegebenenfalls auch mindestens eine Slow-Axis-Kollimationslinse umfasst.
12. Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Optikmittel (2) eine Feldlinse zur Strahlüberlagerung umfassen.
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