專利名稱：用于使光束均勻化的裝置和布置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有兩個彼此基本上相對的能作為光線的入射面和射出面的功能界面的用于使光束均勻化的裝置，在此入射面和射出面至少局部地具有類似透鏡的結(jié)構(gòu)。本發(fā)明還涉及一種具有一個能被要均勻化的光束穿過的用于使光束均勻化的裝置的使光束均勻化的布置，沿光線方向在這個裝置后面布置有一個聚光透鏡，該聚光透鏡使光束這樣聚焦，即，使光束大約在聚光透鏡的焦平面區(qū)域內(nèi)比進入該裝置前更均勻。
背景技術(shù)：
由PCT申請WO98/10317已知上述類型的裝置和布置。其中描述的裝置不僅在它的入射面上而且在它的射出面上都有整列相互平行和并排布置的圓柱形透鏡。入射面的圓柱形透鏡和射出面的圓柱形透鏡的圓柱軸線相互垂直。在這個設(shè)備后面布置有一個聚光透鏡，這個聚光透鏡能夠使穿過裝置的光在一個焦平面上聚焦。用這個布置和這個裝置，通過使光束入射到圓柱形透鏡的不同區(qū)域的分光束在不同的立體角范圍內(nèi)被轉(zhuǎn)向來實現(xiàn)均勻化。因此光束在穿過使光束均勻化的裝置后比進入前容易發(fā)散。在聚光透鏡中平行入射其中的分光束這樣被改變方向，使分光束在焦平面上被聚到一個點上。因此發(fā)生各個分光束的重疊，通過以前的在圓柱形透鏡上的折射實現(xiàn)在不同的立體角范圍內(nèi)的均勻散射。由于這個原因在焦平面上的光束橫截面比較均勻。上述裝置以及上述布置的缺點是，裝置由并排的凸圓柱形透鏡組成，在圓柱形透鏡的連接區(qū)域內(nèi)存在入射面或射出面的表面的非常強烈的彎曲。待均勻化的光束的入射到連接區(qū)域的分光束或者無妨礙地通過連接區(qū)域，使它不能被均勻化，或者是分光束不受控制地轉(zhuǎn)向不同方向，使它脫離光束并因此被視為損失。此外還存在這樣的危險，在這個邊緣鋒銳的連接區(qū)域內(nèi)有一個這樣小的曲率半徑，使得在裝置內(nèi)部或裝置后面不遠處形成不希望的高強度焦點。這可能在相應(yīng)高的激光強度下導(dǎo)致?lián)p壞。在非常高的激光強度時還有以下的缺點，它涉及到凸圓柱形透鏡，在使光束均勻化的裝置后面形成高強度的聚焦線，使在焦點區(qū)域同樣可能產(chǎn)生對環(huán)境的破壞。
由現(xiàn)有技術(shù)已知一些開頭所述類型的裝置，這些裝置在入射面和/或射出面上具有球形的凸透鏡元件。這些球形凸透鏡元件同樣相互很密地挨著排列。他們通過與上述圓柱形透鏡相同的方式使光束均勻化，并且最后也具有相同的缺點。特別是根據(jù)使用球形凸透鏡元件的事實，整個裝置被高強度的焦點區(qū)域損壞的危險明顯大。各個球形透鏡部分之間的過渡區(qū)域也是邊緣鋒銳的，使得在這里同樣可能產(chǎn)生上述問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明基于的問題是創(chuàng)造一種較有效地構(gòu)成的開頭所述類型的裝置和布置。
這個關(guān)于裝置的問題通過權(quán)利要求1所述的特征解決，關(guān)于布置的問題通過權(quán)利要求9所述的特征解決。
按照權(quán)利要求1規(guī)定，由交替并排地布置的凹入部分和凸出部分構(gòu)成在入射面和射出面上形成的結(jié)構(gòu)，凸出部分和凹入部分之間的過渡部分是相對平滑的。通過使凸出部分和凹入部分并排的布置，按照本發(fā)明這兩部分之間的過渡部分可以相對平滑，也就是說，不形成另外的臺階或棱角。特別是凸出部分的曲率可以過渡成凹入部分的曲率。特別是相對平滑就本發(fā)明而言意味著，凸出部分和凹入部分之間的過渡區(qū)域與凸出部分和凹入部分的空間延伸相比在一個垂直于入射面和射出面的方向上是平滑的，特別是沒有臺階或棱角，過渡區(qū)域的延伸在一個垂直于入射面和射出面的方向上能與上述各部分的延伸進行比較。相對平滑在這個意義上不應(yīng)該意味著，凸出部分和凹入部分之間的過渡區(qū)域應(yīng)該不具有任何的表面粗糙度。更確切地說，這些部分之間的過渡區(qū)域應(yīng)該不具有臺階或棱角，在光線穿過的方向上它們的空間延伸明顯地小于凸出和凹入部分的空間延伸。
通過凸出部分和凹入部分之間的過渡部分的平滑構(gòu)造保證，穿過過渡區(qū)域的光線不會無控制地從裝置散射出。通過這種方式特別是提高了光輸出的效率。通過這個平滑的過渡還不會產(chǎn)生可能在裝置后面導(dǎo)致強度高的焦點或焦線的尖銳曲線。此外通過這個凸出和凹入部分之間的沒有過渡的連接區(qū)域，入射在這個區(qū)域上的光束不會無妨礙地穿過。在原理上每束照射在裝置上的分光束還這樣被改變方向，能夠保證進入裝置的光束最佳地被均勻化。
按照本發(fā)明一個優(yōu)先實施形式規(guī)定，凸出部分和凹入部分具有一個總是位于入射面或射出面內(nèi)的方向，沿著這個方向這些部分的曲率至少局部基本上是不變的，入射面的基本上不變的曲率的方向與射出面的基本上不變的曲率的方向垂直。從而產(chǎn)生一個結(jié)構(gòu)，這個結(jié)構(gòu)與按照現(xiàn)有技術(shù)的交叉的圓柱形透鏡的結(jié)構(gòu)相似。然而按照本發(fā)明規(guī)定，一個凸出的延伸的類似透鏡的結(jié)構(gòu)總是與一個凹入的延伸的類似透鏡的結(jié)構(gòu)相鄰。用這種方式與現(xiàn)有技術(shù)相反，保證在凸出和凹入部分也就是類似透鏡的結(jié)構(gòu)之間沒有臺階或棱角的平滑過渡。
在此特別是凸出部分和凹入部分可以在總是與不變的曲率的方向垂直的方向上具有一個橢圓的形狀。作為選擇凸出部分和凹入部分可以在總是與不變的曲率的方向垂直的方向上具有一個雙曲線的或拋物線的或較高階多項式的形狀，或者具有一個類似正弦的形狀。通過凸出和凹入部分的這種表面構(gòu)造避免在使光束均勻化的裝置后面產(chǎn)生具有高強度的焦點區(qū)域。與球形透鏡或圓柱形透鏡不同，例如橢圓形透鏡沒有明確的焦點區(qū)域，因為它垂直于不變的曲率方向有一個基本上不斷改變的曲率。
與一個類似正弦的形狀相反，構(gòu)成為橢圓、雙曲線、拋物線或較高階多項式形狀的凸出和凹入部分還具有以下優(yōu)點，它們可以形成這樣的構(gòu)造，能使光束橫截面明顯有效地均勻化。這在下面參考圖4的


中還要詳細地解釋。
有利地可以規(guī)定，凸出部分的曲率按平均值弱于凹入部分的曲率。用這種方式進一步減小在凸出部分后面的焦點區(qū)域的光強度。由于它們的作用像散射透鏡的事實，在凹入部分后面根本不產(chǎn)生焦點區(qū)域。
在本發(fā)明的一種特別適合于具有較小強度的光束的實施形式中，凸出部分和凹入部分在總是垂直于不變的曲率方向的方向上可以具有一弓形的形狀，以便產(chǎn)生并排排列的凸和凹圓柱形透鏡。這些并排排列的凸和凹圓柱形透鏡也有助于按照本發(fā)明提高效率，因為這些凸和凹圓柱形透鏡部分之間的過渡區(qū)域是平滑的，這樣不會出現(xiàn)上述由現(xiàn)有技術(shù)已知的缺點。只是在明顯強烈的激光束情況下在凸圓柱形透鏡部分后面產(chǎn)生焦線，它是這樣的強烈，以致造成不希望的損壞。
按照本發(fā)明有這樣的可能性，不僅在入射面上而且在射出面上都形成大量的凸出部分和凹入部分，最好是大約100到500個，特別是大約300個。這些并排排列的凸出和凹入部分的數(shù)量可以根據(jù)用途增加或減少。這根據(jù)入射光束橫截面的強度分布質(zhì)量的不同而有所不同。

借助于以下參考附圖對優(yōu)選實施例的說明得出本發(fā)明的其他的特征和優(yōu)點。附圖中圖1a按照本發(fā)明的用于使光束均勻化的布置的示意側(cè)視圖；圖1b相對于圖1a轉(zhuǎn)動90°的側(cè)視圖；圖1c表示在圖1a和圖1b中描繪的光程的各個位置上的光束的強度分布的曲線圖；圖2a按照本發(fā)明使光束均勻化的裝置的一部分的俯視圖；圖2b按圖2a中箭頭IIb方向的視圖；圖2c按圖2a中箭頭IIc方向的視圖；圖3示出全部數(shù)量的分光束在使光束均勻化用的裝置的透鏡表面上折射的詳細側(cè)視圖；圖4示出通過一個按照本發(fā)明使光束均勻化的裝置使入射光線依據(jù)入射位置偏向不同的立體角的曲線圖。
具體實施例方式
在圖1a和圖1b中描繪的按照本發(fā)明的配置含有一個光源1，從光源1中射出光束2，光束2穿過一個按照本發(fā)明的使光束均勻化的裝置3，最后被一個聚光透鏡4聚焦。從聚光透鏡4射出的光束5在圖1a和圖1b中被描繪在其直到聚光透鏡4的焦平面6的路線中。
在圖2中詳細地描繪了按照本發(fā)明的使光束均勻化的裝置3。在此沒有按照比例而是為了說明放大地畫出了裝置3的結(jié)構(gòu)。在此裝置3具有一個基本上正方形的入射面7和一個與入射面7相對的基本上正方形的射出面8。不僅在入射面7上而且在射出面8上都形成有凸出部分9、11和凹入部分10、12。例如由圖2b在截面上可以看出射出面8的凸出部分11和凹入部分12。不僅凸出部分11而且凹入部分12都以不變的橫截面沿一個方向，即X-方向延伸，這樣由圖2b看到的射出面8橫截面在X-方向上，直到圖2b圖紙平面不改變。在圖2c中描繪的入射面7也一樣，其橫截面在Y-方向上，也就是直到圖2c的圖紙平面，不改變。不僅凸面9、11而且凹面10、12在橫截面上都具有橢圓形狀。由于這個橢圓形狀凸出部分9、11的頂點垂線和凹入部分10、12的頂點垂線之間的曲率半徑基本上連續(xù)地改變。在圖2a中為了說明，凸出部分9、11的頂點垂線13用虛線畫出或交織畫出。
由圖2b可以看出，凹入部分12的曲率在平均值上略弱于凸出部分11的曲率。凸出部分9和凹入部分10相應(yīng)地也是這樣。
對本發(fā)明重要的是，凸出部分9、11和凹入部分10、12之間的過渡是平滑的，也就是說，特別是可微分的。這意味著，在圖2b中的函數(shù)Z(y)或在圖2c中的函數(shù)Z(x)在凸出部分9、11和凹入部分10、12之間的過渡區(qū)域沒有臺階或類似物。特別是，例如在凸出部分9、11和凹入部分10、12之間的過渡區(qū)域內(nèi)對無限接近的點y1、y2，Z′(y1)＝Z′(y2)成立。在這里Z′(y)是函數(shù)Z(y)的導(dǎo)數(shù)。
在圖2中描繪的按照本發(fā)明的裝置可以例如在X和Y-方向有30mm的外尺寸以及在Z-方向有1.5mm的外尺寸。凸出部分9、11可以例如有大約30μm的寬度。凹入部分10、12可以有70μm的寬度。深度，也就是凸出部分9、11從過渡區(qū)域到頂點在Z-方向的長度可以小于1μm，例如在0.2和0.3μm之間。凹入部分10、12在Z-方向的深度同樣可以小于1μm，例如為0.8μm。當(dāng)然完全可以想象，為按照本發(fā)明的裝置3選擇其他的尺寸。為凸出部分9、11和凹入部分10、12選擇上述的小于1μm的非常小的深度也完全可以。此外，在某些用途下沒必要選擇相繼的凸出和凹入部分9、10，11、12的這樣小的周期波長。在上述情況下凸出部分9、11的兩個頂點垂線13之間的周期波長大約是100μm。在相應(yīng)的應(yīng)用中完全有可能，在毫米范圍內(nèi)選擇頂點垂線13之間的周期波長。
在上述的大約30mm寬和大約100μm周期長度的尺寸下完全有可能，并排設(shè)置大約300個或更多的凸出部分9、11和凹入部分10、12。
由圖3可以清楚地看出，例如射在界面8上的光束2的分光束是如何均勻地被轉(zhuǎn)向不同的方向?？梢郧宄乜闯觯┻^凹入部分12的分光束相互散射開，這樣在Z-方向上在凹入部分12后面不發(fā)生聚焦。凹入部分12在這里的作用如同一個散射透鏡。相反穿過凸出部分11的分光束在一個焦點區(qū)域14相互靠近。凸出部分11在這里的作用如同一個聚光透鏡。然而這個焦點區(qū)域14不是空間非常集中的焦點。更確切地說，在描繪的實施例中射在凸出部分11上的分光束以大約系數(shù)6發(fā)生濃縮。例如在凸出部分11在圖3中X-方向上的延伸為大約30μm時，焦點區(qū)域14在X-方向上有一個大約5μm的延伸。由于凸出部分與在通常圓柱形透鏡中存在的球形幾何形狀相反，不是具有不變的曲率而是由于橢圓橫截面具有一個基本上是不斷改變的曲率，從而產(chǎn)生比較模糊的焦點區(qū)域14。
在圖4中表示入射到某一空間區(qū)域x，y內(nèi)的分光束和立體角θ之間的關(guān)系。為了更好地說明，在圖4下部區(qū)域示意地畫出了射出面8。下面的考慮對入射面7是相似的。特別是在此可以看出，在一個立體角范圍Δθ(Raumwinkelelement)內(nèi)改變方向的分光束總是含有相鄰的空間區(qū)域Δx1，y1或Δx2，y2的份額。如由圖4可以看出的，空間區(qū)域Δx1，y1和Δx2，y2設(shè)置在射出面8的相鄰的凹入和凸出部分中。由圖4還可以看出，區(qū)間Δx1，y1和Δx2，y2以不同的斜度與函數(shù)θ(x，y)相交，使得在相同的立體角范圍Aθ內(nèi)改變方向的分光束來自不同大小的空間區(qū)域Δx1，y1和Δx2，y2。這導(dǎo)致以下的結(jié)果，在整個射出面8上沿y-方向或在整個入射面7上沿x-方向取平均值時，在各個立體角范圍Δθ內(nèi)發(fā)生一個非常均勻的光強度分布。
這在圖1c中說明。在圖1c中第一個或左邊的曲線圖中描繪了在進入按照本發(fā)明裝置3之前的光束2的強度分布I(x，y)。由圖1c可知，強度在光束2的橫截面上的分布是非常不均勻的。例如通常一個激發(fā)物-激光就是這樣強度極不均勻分布的。圖1c中三個曲線圖的中間那個說明，在穿過按照本發(fā)明的裝置3后強度分布I(x，y)是非常均勻的，也就是說在相同的立體角范圍Δθ內(nèi)基本相同的(光束)強度被反射。在圖1c中右邊的那個曲線圖說明，通過聚光透鏡4可以達到，光束5的強度在聚光透鏡4的焦平面6上分布I(x，y)關(guān)于空間的分布也能均勻化。其原因在于，平行地射在聚光透鏡上的光束在焦平面6上被聚焦到一個點，使來自于一個關(guān)于立體角的均勻的強度分布I(θ)成為一個關(guān)于空間分布的均勻的強度分布I(x，y)。
由于入射面7和射出面8在Z-方向上相互隔開的事實，被入射面7的凸出部分9折射的分光束和被射出面8的凸出部分11折射的分光束的焦點區(qū)域14不會彼此重疊。更確切地說，它們在Z-方向上對應(yīng)地相互隔開。因此在這里不會形成過高強度的區(qū)域。如上面說明的，通過選擇具有類似橢圓的橫截面的面，當(dāng)然也達到同樣的效果。
按照本發(fā)明完全也有可能，用其他形狀代替凸出和凹入部分的橫截面的橢圓幾何形狀。例如這里可以是雙曲線的、拋物線的以及較高階多項式的面。在這里不選擇恒定曲率的面是有利的，因為選擇不變曲率的面可能在使光束均勻化的裝置后面產(chǎn)生不希望的強度最大化。也可以限制地使用具有正弦形狀的橫截面的面。然而正弦面是有問題的，強度分布在通過這樣的面之后通常不是完全均勻的，而是大約在光束橫截面的中心強度減小。
在本發(fā)明一個較差的實施形式中也有可能，選擇不變曲率的面，即特別是具有球形橫截面的面代替凸出和凹入部分的橢圓形橫截面。通過選擇球形的面人們總是交替地得到作為聚光透鏡的凸圓柱形透鏡和作為散射透鏡的凹圓柱形透鏡。在這里不利的是，在凸圓柱形透鏡的后面產(chǎn)生相對窄的焦點區(qū)域，在照射在裝置3上的光束具有非常高的強度時可能導(dǎo)致在焦點的不希望的高的強度，這可能導(dǎo)致?lián)p壞的后果。因此一個這樣的以球形表面設(shè)計的裝置3只適用于不太大的光束強度的場合。
一個由相互交叉的圓柱形透鏡組成的這種裝置3仍然完全可以按照本發(fā)明裝在入射面7和射出面8上，因為凸出和凹入部分之間的過渡區(qū)域是平滑地過渡的。例如在此可以為凸出和凹入部分選擇相同的曲率半徑。重要的只是，凸出和凹入部分之間的過渡區(qū)域是近似可微分的，以便不出現(xiàn)臺階或其他的有害偏移。
附圖標(biāo)記清單1光源2光束3使光束均勻化的裝置4聚光透鏡5光束6焦平面7入射面8射出面9凸出部分10 凹入部分11 凸出部分12 凹入部分13 頂點垂線14 焦點區(qū)域
權(quán)利要求
1.用于使光束均勻化的裝置，具有兩個彼此基本上相對的光學(xué)功能界面，所述界面可以用作光束(2、5)的入射面(7)和射出面(8)，其中，所述入射面(7)和射出面(8)至少局部地具有類似透鏡的結(jié)構(gòu)，其特征在于，在所述入射面(7)和射出面(8)上形成的結(jié)構(gòu)形成交替并排排列的凸出部分(9、11)和凹入部分(10、12)，所述凸出部分(9、11)和凹入部分(10、12)之間的過渡是相對平滑的。
2.按照權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述凸出部分(9、11)和凹入部分(10、12)之間的過渡區(qū)域與凸出和凹入部分(9、10、11、12)的空間延伸相比在一個垂直于入射面(7)和射出面(8)的方向(Z)上是平滑的，特別是沒有臺階或棱角，它就其延伸而言在垂直于入射面(7)和射出面(8)的方向(Z)上與各部分(9、10、11、12)的延伸是可相比較的。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征在于，所述凸出部分(9、11)和凹入部分(10、12)具有一個總是位于入射面(7)或射出面(8)上的方向(X、Y)，沿著這個方向這些部分(9、10、11、12)的曲率至少局部基本上是不變的，入射面基本不變的曲率的方向(y)垂直于射出面(8)基本不變的曲率的方向(x)。
4.按照權(quán)利要求1至3之一所述的裝置，其特征在于，所述凸出部分(9、11)和凹入部分(10、12)沿著總是與不變的曲率的方向(y，x)垂直的方向(x，y)具有一橢圓形形狀。
5.按照權(quán)利要求1至3之一所述的裝置，其特征在于，所述凸出部分(9、11)和凹入部分(10、12)在總是與不變的曲率的方向(y，x)垂直的方向(x，y)上具有一個雙曲線的或拋物線的或高階多項式的形狀或一個類似正弦的形狀。
6.按照權(quán)利要求1至3之一所述的裝置，其特征在于，所述凸出部分(9、11)和凹入部分(10、12)在總是與不變的曲率的方向(y，x)垂直的方向(x，y)上具有一弓形形狀，使得形成并排排列的凸和凹圓柱形透鏡。
7.按照權(quán)利要求1至6之一所述的裝置，其特征在于，所述凸出部分(9、11)的曲率按平均值弱于凹入部分(10、12)的曲率。
8.按照權(quán)利要求1至7之一所述的裝置，其特征在于，不僅在入射面(7)上而且在射出面(8)上都形成大量的凸出部分(9、11)和凹入部分(10、12)，最好是大約100到500個，特別是大約300個。
9.用于使光束均勻化的布置，包括一個使光束均勻化的裝置(3)，一束待均勻化的光束(2、5)可以穿過這個裝置(3)，沿光線方向在裝置(3)后面設(shè)置一個聚光透鏡(4)，它使光束(5)這樣聚焦，使地光束(5)大約在聚光透鏡(4)的焦平面(6)區(qū)域比進入裝置(3)之前更加均勻，其特征在于一個權(quán)利要求1至8之一所述的使光束均勻化的裝置(3)。
全文摘要
用于使光束均勻化的裝置，具有兩個彼此基本上相對的可以用作光束(2、5)的入射面(7)和射出面(8)的光學(xué)功能界面，入射面(7)和射出面(8)至少局部地具有類似透鏡的結(jié)構(gòu)，在入射面(7)和射出面(8)上形成的結(jié)構(gòu)形成相互交替地并排設(shè)置的凸出部分(9、11)和凹入部分(10、12)，凸出部分(9、11)和凹入部分(10、12)之間的過渡是相對平滑的。本發(fā)明還涉及具有一個上述類型的裝置(3)的用于使光束均勻化的布置。
文檔編號G02B27/09GK1543578SQ02816139
公開日2004年11月3日 申請日期2002年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月17日
發(fā)明者阿列克謝·米哈伊洛夫, 阿列克謝 米哈伊洛夫 申請人:翰茲-利索茲切科專利管理有限公司及兩, 翰茲-利索茲切科專利管理有限公司及兩合公司