WO2008040529A1 - Anordnung zur speckel-reduktion - Google Patents

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WO2008040529A1
WO2008040529A1 PCT/EP2007/008554 EP2007008554W WO2008040529A1 WO 2008040529 A1 WO2008040529 A1 WO 2008040529A1 EP 2007008554 W EP2007008554 W EP 2007008554W WO 2008040529 A1 WO2008040529 A1 WO 2008040529A1
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diffuser
lens
arrangement
speckle
radiation source
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PCT/EP2007/008554
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Alexander Pesch
Torsten Semsch
Dietrich Martin
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Carl Zeiss Ag
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    • 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
    • G02B27/48—Laser speckle optics
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G02B3/12—Fluid-filled or evacuated lenses
    • G02B3/14—Fluid-filled or evacuated lenses of variable focal length
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/005—Optical devices external to the laser cavity, specially adapted for lasers, e.g. for homogenisation of the beam or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping

Definitions

  • the invention relates to an arrangement for speckle reduction.
  • US 5,851,740 A1 describes a solution for speckle reduction in which a diffuser is rotated. This ensures that the lighting field averages over time and thus speckles disappear for the observer. Disadvantage of this method is the use of moving elements, which wear out after a certain time and also can develop vibrations and noises.
  • the invention seeks to solve the problem of drastically reducing speckles that can be perceived by an observer with comparatively simple means.
  • the solution to the problem is that a lens with variable focal length for illuminating a field, in particular in the illumination beam path of a projector or a microscope, is used.
  • the lens with the variable focal length changes the focus of the light beam very easily.
  • a deterministic angle change of the beam divergence is generated.
  • the control of the lens with the variable focal length is stochastic (aperiodic) or periodic, with the periodic control should occur at frequencies greater than 60 Hz.
  • Variable lenses are offered commercially, on the one hand based on electrowetting by Variooptic (Lyon, France) or Philips Research (Eindhoven, The Netherlands), on the other hand membrane lenses from Rhevision (San Diego, USA) or PGS Precision Pte Ltd. (Singapore) and continue to use liquid crystal lenses (LC-lenses) from Flexible Optical B.V. (Delft, Netherlands).
  • variable focal length lens with a post-diffractive light-shaping diffuser (LSD) or diffuser provides even better speckle reduction.
  • LSD post-diffractive light-shaping diffuser
  • the temporal focal length change of the lens causes a simultaneous change of the speckle pattern. Due to the temporal and spatial averaging of the intensity of the illumination field on the ability of the eye to integrate with the aid of changing incidence and emission angles (defocusing), the speckle contrast is reduced.
  • Figure 1 Schematic representation of an arrangement for Speckelredulement
  • Figure 2 Speckel on a projection surface without variation of
  • Lens power Figure 3 Speckel on a projection surface with variation of
  • Figure 4 Schematic representation of a device for Speckelredulement with a device for beam shaping
  • Figure 1 shows schematically a structure for the reduction of speckles, which arise when using fully or partially coherent lasers as a source of illumination on projection surfaces.
  • refractive ray-expanding optical elements calculated specifically for the application are used in order to increase the aperture of the system and to relativize the inhomogeneities of the laser beam by a spatial averaging of the partial beams as a function of the divergence angle of the light source.
  • a Variolinse from the company Varioptic is connected to an electronic control unit, whereby its refractive power between -5 D and +20 D is adjustable.
  • the variation of the refractive power takes place at a frequency of 30 Hz.
  • a beam-expanding lens whose focal length is -30 mm is inserted between the variometer and the diffuser.
  • the diffuser is arranged in the form of a combination of two lenses.
  • a first diffuser arranged in the light propagation direction generates a beam widening by 20 °.
  • a second diffusing screen arranged 10 mm behind the first diffusing screen generates a further beam widening by 25 °.
  • the diffuser can also be made up of one or more LSDs (light shaping diffusers) or DOEs (diffractive optical elements), whereby the angle spectrum is widened and the speckle distribution changes spatially.
  • the diffuser can also be designed jet-shaping.
  • a temporal and spatial averaging of the intensity of the illumination field is achieved via the ability of the eye to integrate with the aid of changing incidence and emission angles.
  • FIG. 2 shows an image of the speckles on a projection surface without variation of the lens power.
  • FIG. 3 shows an image of the speckles on a projection surface with a variation of the lens refractive power with a frequency of 30 Hz.
  • the variola is preferably introduced into an illumination beam path of a projector or a microscope. Due to a small variation in the refractive power, only a slight defocusing of the spray pattern takes place. Due to the temporal focal length change of the zoom lens, a simultaneous change of the speckle pattern occurs.
  • the speckle contrast is reduced. Since the Variolinsen have a fairly high transmission (90%), it is useful as a diffuser to use an LSD (light shaping diffuser), since they also have a high efficiency.
  • LSD light shaping diffuser
  • Figure 4 shows an arrangement according to Figure 1, wherein after the diffuser, a honeycomb condenser and a converging lens are arranged for beam shaping.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Speckel-Reduktion einer Laserstrahlungsquelle, deren Strahlenbündel durch eine strahlaufweitende Optik vergrößerbar ist, auf einen Diffusor trifft und dann ein Feld beleuchtet, wobei die strahlaufweitende Optik zumindest eine Linse enthält, deren Brechkraft durch eine elektronische Ansteuereinheit veränderbar ist, wobei die Linse eine Variolinse ist.

Description

Anordnung zur Speckel-Reduktion
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Speckel-Reduktion.
Die US 5,851, 740 A1 beschreibt eine Lösung zur Speckel-Reduktion, bei der ein Diffuser rotierend bewegt wird. Damit wird erreicht, dass sich das Beleuchtungsfeld zeitlich mittelt und somit Speckel für den Beobachter verschwinden. Nachteil dieser Methode ist die Verwendung von bewegten Elementen, welche nach einer gewissen Zeit verschleißen und zudem Vibrationen und Geräusche entwickeln können.
In der DE 199 45 026 A1 wird eine Kohärenzlängenänderung dadurch erreicht, dass gepulste Laserquellen verwendet werden. Diese Laserquellen sind technisch aufwändig.
Nach dem heutigen Stand der Technik ist das Problem der Speckelpunkte in Belechtungssystemen, beispielsweise für die digitalen Projektion oder Mikroskopen unter Verwendung von Lasern als Lichtquelle nicht befriedigend gelöst.
Die Erfindung soll das Problem lösen, Speckel, die von einem Beobachter wahrgenommen werden können, mit vergleichsweise einfachen Mitteln drastisch zu reduzieren.
Die Lösung der Aufgabe gelingt erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Die Unteransprüche 2 bis 4 sind vorteilhafte Ausgestaltungen des Hauptanspruches.
Die Lösung des Problems besteht darin, dass eine Linse mit variabler Brennweite zur Beleuchtung eines Feldes, insbesondere in den Beleuchtungsstrahlengang eines Projektors oder eines Mikroskops, eingesetzt wird. Die Linse mit der variablen Brennweite verändert die Fokussierung des Lichtbündels sehr leicht. Es wird eine deterministische Winkeländerung der Strahldivergenz erzeugt. Die Ansteuerung der Linse mit der variablen Brennweite erfolgt stochastisch (aperiodisch) oder periodisch, wobei die periodische Ansteuerung mit Frequenzen größer 60 Hz erfolgen sollte.
Variable Linsen werden kommerziell angeboten, einerseits basierend auf Elektrobenetzung (electro wetting) von Variooptic (Lyon, Frankreich) oder Philips Research (Eindhoven, Niederlande), andererseits Membranlinsen von Rhevision (San Diego, USA) oder PGS Precision Pte Ltd. (Singapur) und weiterhin Flüssigkristallinsen (LC-lenses) von Flexible Optical B.V. (Delft, Niederlande).
Weiterhin zeigt eine Kombination der Linse mit der variablen Brennweite mit einem nach geschalteten diffraktiven Element (light shaping diffuser LSD) oder einer Streuscheibe eine noch bessere Speckel-Reduktion. Durch die zeitliche Brennweitenänderung der Linse erfolgt eine gleichzeitige Änderung des Speckelmusters. Durch die zeitliche und räumliche Mittlung der Intensität des Beleuchtungsfeldes über das Integrationsvermögen des Auges mit Hilfe sich ändernder Einfalls- und Abstrahlungswinkel (Defokussierung) erfolgt eine Reduktion des Speckelkontrastes.
Anwendungsgebiete der Lösung werden in Systemen zur Laserprojektion sowie in Mikroskopen mit partiell kohärenter oder voll kohärenter Beleuchtung gesehen.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigen:
Figur 1 : Schematische Darstellung einer Anordnung zur Speckelreduktion Figur 2: Speckel an einer Projektionsfläche ohne Variation der
Linsenbrechkraft Figur 3: Speckel an einer Projektionsfläche mit Variation der
Linsenbrechkraft
Figur 4: Schematische Darstellung einer Anordnung zur Speckelreduktion mit einer Einrichtung zur Strahlformung Figur 1 zeigt schematisch einen Aufbau zur Reduktion von Speckel, die bei Verwendung von voll- bzw. teilkohärenten Lasern als Beleuchtungsquelle auf Projektionsflächen entstehen.
Innerhalb des optischen Systems werden speziell für die Anwendung gerechnete refraktive strahlaufweitende optische Elemente verwendet, um zum einen die Apertur des Systems zu vergrößern und zum anderen Inhomogenitäten des Laserstrahls durch eine räumliche Mittlung der Teilstrahlen, in Abhängigkeit Divergenzwinkel der Lichtquelle, zu relativieren.
Im Beispiel ist eine Variolinse der Firma Varioptic mit einer elektronischen Ansteuereinheit verbunden, womit deren Brechkraft zwischen -5 dpt und +20 dpt einstellbar ist. Die Variation der Brechkraft erfolgt mit einer Frequenz von 30 Hz. Um zu gewährleisten, daß auf einem Diffusor immer ein aufgeweitetes Lichtbündel einfällt, ist zwischen der Variolinse und dem Diffusor eine strahlaufweitende Linse eingesetzt, deren Brennweite -30 mm ist.
Zwischen der strahlaufweitenden Optik und dem beleuchteten Feld ist der Diffusor in Form einer Kombination zweier Streuscheiben angeordnet. Ein in Lichtausbreitungsrichtung angeordneter erster Diffusor erzeugt eine Strahlaufweitung um 20°. Ein 10 mm hinter der ersten Streuscheibe Angeordnete zweite Streuscheibe erzeugt eine weitere Strahlaufweitung um 25°. Der Diffusor kann auch aus einem oder mehreren LSD (light shaping diffuser) oder DOE (diffractive optical element) aufgebaut sein, wodurch das Winkelspektrum erweitert wird und sich die Speckelverteilung räumlich ändert. Der Diffuser kann auch strahlformend ausgeführt sein.
Mit Hilfe der Erfindung wird eine zeitliche und räumliche Mittelung der Intensität des Beleuchtungsfeldes über das Integrationsvermögen des Auges mit Hilfe der sich ändernder Einfalls- und Abstrahlungswinkel erreicht.
Für den Betrachter erscheinen die Speckel wesentlich reduziert. Die vom System in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit der Winkeländerung erzeugten Speckelpunkte werden so schnell bewegt, daß diese vom menschlichen Auge nicht mehr aufgelöst werden. Figur 2 zeigt ein Bild der Speckel an einer Projektionsfläche ohne Variation der Linsenbrechkraft. Figur 3 zeigt ein Bild der Speckel an einer Projektionsfläche mit Variation der Linsenbrechkraft mit einer Frequenz von 30 Hz. Die Variolinse wird vorzugsweise in einen Beleuchtungsstrahlengang eines Projektors oder eines Mikroskops eingebracht. Durch eine geringe Variation der Brechkraft erfolgt nur eine leichte Defokussierung des Strahlbildes. Durch die zeitliche Brennweitenänderung der Variolinse erfolgt eine gleichzeitige Änderung des Speckelmusters. Durch die zeitliche und räumliche Mittlung der Intensität des Beleuchtungsfeldes über das Integrationsvermögen des Auges mit Hilfe der sich ändernden Einfalls- und Abstrahlungswinkel (Defokussierung) erfolgt eine Reduktion des Speckelkontrastes. Da die Variolinsen eine recht hohe Transmission (90%) haben ist es zweckmäßig als Diffuser ein LSD (light shaping diffuser) einzusetzen, da diese ebenfalls eine hohe Effizienz besitzen.
Figur 4 zeigt eine Anordnung entsprechend Figur 1 , wobei nach dem Diffusor ein Wabenkondensor sowie eine Sammellinse zur Strahlformung angeordnet sind.

Claims

Patentansprüche
1. Anordnung zur Speckel-Reduktion einer Laserstrahlungsquelle, deren Strahlenbündel durch eine strahlaufweitende Optik vergrößerbar ist, auf einen Diffusor trifft und dann ein Feld beleuchtet, wobei die strahlaufweitende Optik zumindest eine Linse enthält, deren Brechkraft durch eine elektronische Ansteuereinheit veränderbar ist, wobei die Linse eine Variolinse ist.
2. Anordnung zur Speckel-Reduktion einer Laserstrahlungsquelle nach Anspruch 1 , bei der die strahlaufweitende Optik aus einer Variolinse, deren Brechkraft vom Negativen bis Positiven variieren kann, und einer Linse negativer Brechkraft besteht.
3. Anordnung zur Speckel-Reduktion einer Laserstrahlungsquelle nach Anspruch 1 , bei der der Diffusor aus mehr als einem Diffusor-Element besteht, wobei die mehreren Diffusor-Elemente voneinander einen Abstand aufweisen.
4. Anordnung zur Speckel-Reduktion einer Laserstrahlungsquelle nach Anspruch 1 , bei der zwischen dem Diffusor und dem beleuchteten Feld mindestens ein Element zur Strahlformung angeordnet ist.
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