DE19635942A1

DE19635942A1 - Optisches Strahlformungssystem

Info

Publication number: DE19635942A1
Application number: DE19635942A
Authority: DE
Inventors: Vitaly Dr Lissotschenko; Joachim Hentze
Original assignee: Individual
Current assignee: Hentze Lissotschenko Patentverwaltungs GmbH and Co KG
Priority date: 1996-09-05
Filing date: 1996-09-05
Publication date: 1998-03-12
Also published as: EP0923747B1; JP3889446B2; AU4209297A; ATE284045T1; EP0923747A1; JP2000517436A; DE59712104D1; US6212011B1; WO1998010314A1; EP0923747B8

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Strahlformungssystem, mit in einem Strahlbündel angeordneten optischen Elementen, die Linsenarrays mit je weils mehreren, jeweils Teilstrahlbündel erfassenden Linsen aufweisen, wo bei deren Linsenflächen in eine optisch aktive Grenzfläche eines monoliti schen refraktiven Elements eingeformt sind.

Als optische Strahlformungssysteme bezeichnet man allgemein Anordnun gen von optischen Elementen, mit denen ein eingestrahltes Lichtstrahlbün del hinsichtlich seiner Strahlparameter definiert modifiziert wird. In der Pra xis treten die hauptsächlichen Anwendungsfälle auf, daß für ein Strahlbün del im Querschnitt eine definierte geometrische Form und Größe, beispiels weise kreisrund, rechteckig oder gitterförmig oder dergleichen, und/oder eine über seinen Querschnitt definierte Intensitätsverteilung gefordert wird. Häufig müssen beide Eigenschaften gleichzeitig beeinflußt werden, bei spielsweise wenn die Lichtquelle, die das Eingangs-Strahlbündel für das Strahlformungssystem liefert, ein Strahlbündel mit ungleichmäßiger Intensi tätsverteilung und unregelmäßigen geometrischen Abmessungen liefert, je doch für das Ausgangs-Strahlbündel des Strahlformungssystems hinsicht lich dieser Eigenschaften definierte Vorgaben gemacht werden.

Nach dem Stand der Technik sind beispielsweise aus der EP 0 232 037 A2 optische Strahlformungssysteme bekannt, in die ein Lichtstrahlbündel mit ungleichmäßiger Energieverteilung eingestrahlt werden kann, wobei deren Ausgangs-Strahlbündel über seinen Querschnitt eine gleichmäßige Intensi tätsverteilung aufweist. Derartige Strahlformungssysteme werden auch als Homogenisierer bezeichnet.

Der vorgenannte Homogenisierer weist neben konventionellen optischen Elementen, wie beispielsweise Sammellinsen mit positiv gekrümmten, d. h. konvexen Grenzflächen, die den gesamten Strahlquerschnitt des eingeleite ten Strahlbündels erfassen, auch sogenannte Linsenarrays auf, die aus Lin sen zusammengesetzt sind, die jeweils nur einen Teil des Strahlquer schnitts, d. h. Teilstrahlbündel, erfassen.

Bei optischen Homogenisierern hat sich eine Bauform durchgesetzt, bei der im Strahlengang zueinander gekreuzte Zylinderlinsenarrays angeordnet sind. Teilweise werden diese Arrays noch aus einzelnen Zylinderlinsen-Elementen zusammengefügt; es sind jedoch auch bereits einfache ebene Zylinderlin senarrays erhältlich, die aus einem monolitischen Glas- oder Kunststoffblock geschliffen sind.

Mit derartigen, nach dem Stand der Technik bekannten monolitischen opti schen Elementen sind bisher allerdings ausschließlich Homogenisierer reali sierbar, die zudem den Einsatz zusätzlicher optischer Elemente, wie Linsen oder dgl. erfordern. Um hingegen nicht nur wie beim Homogenisierer eine über den Querschnitt vergleichmäßigte Intensitätsverteilung zu erreichen, sondern ein definiertes Intensitätsprofil in einer definierten geometrischen Form ausgehend von beliebig geformten Eingangs-Strahlbündeln zu formen, ist es nach dem Stand der Technik erforderlich, zunächst den Eingangs strahl zu homogenisieren, um dann im weiteren Strahlverlauf zusätzliche Strahlformungssysteme zwischenzuschalten. So ist es beispielsweise be kannt, durch die Verwendung von Absorptionsfiltern oder Masken ein In tensitätsprofil vorzugeben. Eine geometrische Strahlformung wird durch Einfügung entsprechend geformter Masken in den Strahlengang erreicht.

Der Nachteil der vorgenannten geometrischen und Intensitäts-Strahlfor mungssysteme liegt auf der Hand: der weitaus überwiegende Teil der einge leiteten Strahlenergie wird in Filtern oder den undurchlässigen Bereichen der Masken absorbiert und steht im ausgehenden Strahlbündel nicht mehr als Lichtenergie zur Verfügung. In der Praxis geht bei Strahlformungssystemen nach dem Stand der Technik auf diese Weise mehr als 90% der einge strahlten Energie verloren. Insgesamt liegt also ein ausgesprochen schlech ter Wirkungsgrad vor.

Hinzu kommt, daß die bekannten optischen Strahlformungssysteme ein schließlich der vorgenannten Homogenisierer jeweils aus einer Mehrzahl von optischen Bauelementen zusammengesetzt sind. Daraus ergibt sich, daß de ren Herstellung und Justierung aufwendig und kostspielig ist.

Ausgehend von dem gattungsgemäßen Stand der Technik ergibt sich dar aus die Aufgabe der Erfindung, die vorgenannten Probleme zu lösen, insbe sondere ein optisches Strahlformungssystem zur Verfügung zu stellen, wel ches bei der Möglichkeit zur Beeinflussung der Strahlparameter einen besse ren Wirkungsgrad hat und einfacher aufgebaut ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung vor, daß die Grenzfläche eine gekrümmte Grundform hat.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß sich die in den bisher be kannten Strahlformungssystemen verwendeten, ebenen Linsenarrays und die übrigen optischen Bauelemente, beispielsweise Abbildungslinsen und dergleichen, in einem einzigen oder einigen wenigen monolitischen opti schen Elementen integrieren lassen. Diese erfindungsgemäßen monoliti schen refraktiven Elemente zeichnen sich dadurch aus, daß die optisch ak tiven Grenzflächen, beispielsweise die eingangsseitige und ausgangsseitige Oberfläche einer Linse, eine gekrümmte Basisform bilden, deren Oberfläche quasi mit den kleineren Linsenflächen der einzelnen Linsen eines Linsenar rays moduliert, d. h. überlagert ist.

Neben dem offensichtlichen Vorteil, daß sich auf diese Weise die Anzahl der verwendeten Bauelemente drastisch reduzieren läßt, indem beispiels weise alle bisher in einem Homogenisierer verwendeten Bauelemente in einem einzigen monolitischen Element zusammengefaßt werden können, ergibt sich darüber hinaus ein weiterer Vorteil, der überhaupt erst durch die monolitische Integration eröffnet wird: durch die beliebige Formung und Ausrichtung des Linsenarrays unter Berücksichtigung der gekrümmten Grundform, ist es erstmals möglich, durch dessen Formgebung eine nahezu beliebige Beeinflussung der Strahlparameter hinsichtlich Geometrie und In tensitätsverteilung vorzugeben, d. h. quasi in dem monolitischen Element zu programmieren. Da hierbei keine absorbierenden Bauteile, wie Filter oder Masken verwendet werden, werden im Vergleich zum Stand der Technik hohe Wirkungsgrade erreicht. In der Regel werden dabei die Absorptionsverluste vernachlässigbar gering sein.

Die Realisierung der gewünschten Eigenschaften, die eine gezielte Beein flussung aller Strahlparameter einschließt, erfordert zwar im Einzelfall einen gewissen Rechenaufwand zur Bestimmung der Grenzflächengeometrie, der jedoch angesichts der zur Verfügung stehenden Rechnerkapazität nicht weiter nachteilig ins Gewicht fällt. Dem steht der weitere Vorteil gegenüber, daß die erfindungsgemäßen monolitischen optischen Elemente nach ihrer Fertigung keiner weiteren Justierung bedürfen und sich insofern im Laufe der Zeit auch nicht dejustieren können.

Grundsätzlich ermöglicht es die Erfindung in jeweils vorteilhafter Weise, die vormals erforderlichen, separaten Bauelemente eines optischen Strahlfor mungssystems in einem einzigen optischen Element zusammenzufassen. Hierzu kann es je nach Maßgabe des Einzelfalls zweckmäßig und vorteilhaft sein, daß die Grundform einer im Strahlengang liegenden Oberfläche, d. h. der Grenzfläche, des monolitischen optischen Elements konkav oder konvex ist und dabei sphärisch, asphärisch oder auch zylindrisch ausgeformt ist. Die in die Oberfläche dieser Grundform eingeformten Linsenflächen der Lin sen eines Linsenarrays können selbst wieder konkav oder konvex, dabei sphärisch, asphärisch oder auch zylindrisch sein.

Die Grenzfläche, d. h. die Grundform, kann sowohl rotationssymmetrisch oder elliptisch sein als auch jede andere denkbare geometrische Form an nehmen. Für die einzelnen Linsen eines Linsenarrays gilt dies gleicherma ßen. So können beispielsweise streifenförmige Linsen in eine viereckige Grundfläche eingeformt sein oder auch facettenartige Linsen auf einer rota tionssymmetrischen - beispielsweise kreisrunden - oder elliptischen Grund form rotationssymmetrisch angeordnet sein.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sehen vor, daß die einzelnen Lin sen eines Linsenarrays unterschiedliche Brennweiten und/oder unterschied liche Aperturen aufweisen. Durch diese Maßnahmen läßt sich die Intensität im Focus derart modulieren, so daß beispielsweise Gaußprofile oder belie bige andere Verteilungen vorgegeben werden können.

Durch die sich daraus ergebenden Kombinationsmöglichkeiten, die bei der Auslegung praktisch nahezu völlige Freiheit im Hinblick auf die Brennweiten, Aperturen, Grenzflächenformen und die Anordnungen der optischen Achsen im Raum lassen, läßt sich eine Strahlformung, d. h. eine Beeinflussung der Strahlparameter im Hinblick auf Geometrie und Intensität, in nahezu beliebi ger Weise in dem erfindungsgemäßen optischen Element integrieren, d. h. programmieren.

Je nach den Anforderungen des jeweils auftretenden Einzelfalls, d. h. der Veränderung der Strahlparameter zwischen dem in das Strahlformungs system eingeleiteten und dem daraus austretenden Strahlbündel, bietet die Erfindung die Möglichkeit, entweder nur eine Grenzfläche des erfindungs gemäßen optischen Elements, d. h. die Oberfläche, in die das Strahlbündel eintritt oder austritt, erfindungsgemäß auszugestalten. So kann es bei spielsweise von Vorteil sein, ein einziges monolitisches Element, bei dem in beide Grenzflächen Linsenarrays eingeformt sind, in zwei gegeneinander bewegliche monolitische Elemente aufzutrennen, wodurch eine gewisse Variierbarkeit der optischen Eigenschaften des gesamten Strahlformungssystems erreicht werden kann.

Es kann weiterhin zweckmäßig sein, daß ein Linsenarray als Linsenmatrix ausgebildet ist, d. h. als zweidimensionales Array mit einer Mehrzahl von rasterförmig angeordneten Linsenflächen, oder auch als eindimensionales Array, bei dem beispielsweise eine Mehrzahl von Zylinderlinsenflächen line ar nebeneinander angeordnet ist. Diese können unterschiedliche Aperturen, d. h. Breiten und auch voneinander abweichende Brennweiten haben.

Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Strahlformungs systems sieht vor, daß auf den beiden Grenzflächen des monolitischen Ele ments Zylinderlinsenarrays eingeformt sind, deren Zylinderlinsen zueinander gekreuzt angeordnet sind. Auf diese Weise läßt sich ein Homogenisierer, wie er im Stand der Technik aus einer Mehrzahl von Zylinderlinsenarrays und Abbildungslinsen aufgebaut ist, in einem einzigen optischen Bauele ment realisieren. Dabei ist nicht nur eine spätere Dejustierung ausgeschlos sen; durch den Wegfall mehrerer Grenzflächen werden auch die daran ent stehenden unvermeidlichen Verluste reduziert, wodurch sich eine Steige rung des Gesamtwirkungsgrades ergibt.

Bei dem vorgenannten Homogenisierer können die Zylinderlinsenarrays, wie nach dem Stand der Technik üblich, konvexe Zylinderlinsen aufweisen. Be sondere Vorteile ergeben sich jedoch dadurch, daß die Zylinderlinsenarrays konkave Zylinderlinsen aufweisen. Konvexe Linsen haben nämlich prinzipiell den Nachteil, einen reellen Brennpunkt aufzuweisen, in dem die Energie dichte unter Umständen so weit ansteigen kann, daß entweder Verluste durch Ionisation oder Schäden im optischen Material auftreten können. Hin gegen haben konkave Zylinderlinsen lediglich einen virtuellen Brennpunkt, so daß Verluste durch die vorgenannten Effekte prinzipiell nicht auftreten können.

Grundsätzlich können zur praktischen Realisierung des erfindungsgemäßen monolitischen Elements alle verfügbaren optischen Materialien eingesetzt werden, etwa entsprechend hochwertige Kunststoffe oder Gläser. Die zur Herstellung verwendeten Fertigungsverfahren müssen dann auf das jeweils zum Einsatz gelangende Material abgestimmt werden. Die Umsetzung der bei der Integration der unterschiedlichen optischen Flächen erforderliche Freiformflächengeometrie wird zweckmäßigerweise durch rechnergestützte Fertigungsverfahren umgesetzt.

Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Strahlformungssysteme werden im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen im einzel nen:

Fig. 1 ein erfindungsgemäßes monolitisches optisches Element in einer ersten Aus führungsform;

Fig. 2 ein erfindungsgemäßes monolitisches optisches Element in einer zweiten Ausführungsform;

Fig. 3 ein erfindungsgemäßes monolitisches optisches Element in einer dritten Aus führungsform.

In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßes, monolitisches optisches Element in einer perspektivischen Ansicht dargestellt und als Ganzes mit dem Bezugs zeichen 1 versehen. In der dargestellten Ansicht bildet die oben liegende Grenzfläche 2 die Lichteintrittsfläche und die unten liegende Grenzfläche 2′ die Lichtaustrittsfläche - oder umgekehrt.

Beide Grenzflächen 2, 21 weisen eine konvex-zylindrische Grundform auf. Dabei sind die Zylinder gekreuzt angeordnet.

Sowohl in die obere Grenzfläche 2 als auch in die untere Grenzfläche 2′ ist jeweils ein ein-dimensionales Array von konkaven Zylinderlinsen 3 einge formt. Die Zylinder-Längsachsen der Zylinderlinsen 3 liegen jeweils parallel zu den Zylinder-Längsachsen der Grenzflächen 2 bzw. 2′.

In der dargestellten Ausführungsform bildet das monolitische optische Ele ment 1 bereits einen Homogenisierer mit definierten optischen Eigenschaf ten. Durch die Ausformung der Zylinderlinsen 3 sowie der Grenzflä chen 2, 2′ wird bereits bei der Herstellung eine vordefinierte Beeinflussung der Strahlparameter vorgegeben.

An dieser Ausführungsform ist besonders vorteilhaft, daß die Zylinderlin sen 3 konkav sind und somit keinen reellen Brennpunkt im Inneren des mo nolitischen optischen Elements 1 aufweisen. Hierdurch werden hohe Ener giedichten vermieden, die zu einer Beschädigung des optischen Materials führen könnten.

In Fig. 2 ist in derselben Darstellung wie in Fig. 1 ein ähnlich aufgebautes monolitisches optisches Element dargestellt, welches ebenfalls mit dem Be zugszeichen 1 versehen ist. Der einzige Unterschied zu Fig. 1 besteht darin, daß die in dessen Grenzflächen 2, 2′ eingeformten Zylinderlinsen 4 konvex-zylindrisch ausgebildet sind.

Die Vorteile der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Homogenisierer liegen darin, daß sie lediglich zwei optisch aktive Grenzflächen aufweisen und somit einen besonders hohen Wirkungsgrad haben. Weiterhin sind sie ge genüber aus mehreren optischen Elementen aufgebauten Homogenisierern insgesamt einfacher konstruiert und erfordern auch keine Justierung.

In Fig. 3 ist eine axiale Ansicht auf eine optisch aktive Grenzfläche 5 eines erfindungsgemäßen refraktiven Elements 1 in einer weiteren Ausführungs form dargestellt. Die Besonderheit besteht dabei darin, daß die Grundform, d. h. die Grenzfläche 5, kreisrund ausgebildet ist. Auf der runden Grundflä che, die erfindungsgemäß eine normal zur Zeichenebene gekrümmte, d. h. beispielsweise eine sphärisch-konvexe, Grundform aufweist, sind rotations symmetrisch facettenartig einzelne Linsen 6 eingeformt. Diese können er findungsgemäß wiederum sphärisch, asphärisch oder zylindrisch, konvex oder konkav ausgebildet sein und unterschiedliche Brennweiten und/oder Aperturen haben. In gleicher Weise kann die Grenzfläche 5 ebenfalls ellip tisch sein.

Durch eine computergestützte Herstellung können monolitische optische Elemente 1 praktisch für alle geforderten Beeinflussungen der Strahlparame ter mit relativ geringem Aufwand hergestellt werden.

Claims

1. Optisches Strahlformungssystem, mit in einem Strahlbündel angeordneten optischen Elementen, die Linsenarrays mit jeweils mehreren, jeweils Teilstrahlbündel erfassenden Linsen aufweisen, wobei deren Linsen flächen in eine optisch aktive Grenzfläche eines monolitischen refraktiven Elements eingeformt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzfläche (2, 2′, 5) eine gekrümmte Grundform hat.

2. Strahlformungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Grundform konkav ist.

3. Strahlformungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Grundform konvex ist.

4. Strahlformungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Grundform sphärisch ist.

5. Strahlformungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Grundform asphärisch ist.

6. Strahlformungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Grundform zylindrisch ist.

7. Strahlformungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Grundform rotationssymmetrisch ist.

8. Strahlformungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Grundform elliptisch ist.

9. Strahlformungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Linsenflächen der Linsen (3, 4, 6) eines Linsenarrays kon kav sind.

10. Strahlformungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Linsenflächen der Linsen (3, 4, 6) eines Linsenarrays kon vex sind.

11. Strahlformungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Linsenflächen der Linsen (3, 4, 6) eines Linsenarrays sphärisch sind.

12. Strahlformungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Linsenflächen der Linsen (3, 4, 6) eines Linsenarrays as phärisch sind.

13. Strahlformungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Linsenflächen der Linsen (3, 4, 6) eines Linsenarrays zy lindrisch sind.

14. Strahlformungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Linsen (3, 4, 6) eines Linsenarrays rotationssymmetrisch sind.

15. Strahlformungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Linsen (3, 4, 6) eines Linsenarrays elliptisch sind.

16. Strahlformungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Linsen (3, 4, 6) eines Linsenarrays unterschiedliche Brennweiten aufweisen.

17. Strahlformungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Linsen (3, 4, 6) eines Linsenarrays unterschiedliche Aper turen aufweisen.

18. Strahlformungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Linsen (3, 4, 6) eines Linsenarrays unterschiedlich ausge richtete optische Achsen aufweisen.

19. Strahlformungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß ein Linsenarray ein eindimensionales Array ist.

20. Strahlformungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß ein Linsenarray ein zweidimensionales Array ist.

21. Strahlformungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß auf einer im Strahlengang liegenden Grenzfläche (2, 2′, 5) des monolithischen Elements (1) ein Linsenarray angeordnet ist.

22. Strahlformungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß auf zwei hintereinander im Strahlengang liegenden Grenzflä chen (2, 2′, 5) des monolitischen Elements (1) jeweils Linsenarrays ange ordnet sind.

23. Strahlformungssystem nach Anspruch 22, dadurch gekenn zeichnet, daß auf den beiden Grenzflächen (2, 2′, 5) des monolitischen Elements (1) Zylinderlinsenarrays eingeformt sind, deren Zylinderlinsen zu einander gekreuzt angeordnet sind.

24. Strahlformungssystem nach Anspruch 23, dadurch gekenn zeichnet, daß die Zylinderlinsenarrays konkave Zylinderlinsen aufweisen.

25. Strahlformungssystem nach Anspruch 23, dadurch gekenn zeichnet, daß die Zylinderlinsenarrays konvexe Zylinderlinsen aufweisen.

26. Strahlformungssystem nach Anspruch 23, dadurch gekenn zeichnet, daß die beiden Grenzflächen (2, 2′) des monolithischen Elements zylindrisch-konvex sind, wobei die Zylinderflächen gekreuzt angeordnet sind.