專利名稱：用于使光均勻化的裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于使光均勻化的裝置，包括具有多個凸透鏡的 第一透鏡陣列和至少一個在射束傳播方向上與第一透鏡陣列間隔開設 置的第二透鏡陣列，其中被第一透鏡陣列折射的光可以通過第二透鏡 陣列，其中第二透鏡陣列具有分別相互間隔以間隙地設置的多個第一 透鏡，其中第二透鏡陣列的第一透鏡中的至少一個第一透鏡對應于第 一透鏡陣列的每個凸透鏡。
背景技術：
前面所提到的那種裝置例如被用于使由激光二極管組件
(Laserdiodenbarren )所發(fā)射的相對不均勻的激光均勻化。從這樣的 裝置所出射的由透鏡陣列的各透鏡折射的光在角區(qū)域上
(Winkelbereich )被均勻的分布?，F(xiàn)有技術中的用于使光均勻化的裝 置由相對小的或中等的數(shù)值孔徑構(gòu)成。數(shù)值孔徑的典型值位于大約 0.01和0.35之間的數(shù)量級。尤其地，現(xiàn)有技術中的用于使光均勻化的 裝置例如在材料加工、微平板印刷(Mikroimiographie )或測量技術 中被用于均勻地照射工作區(qū)域。但是，可由已知的用于使光均勻化的 裝置實現(xiàn)的數(shù)值孔徑對于一些應用領域是不足夠的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所基于的任務是提供一種用于使光均勻化的裝置，其中即 使以根據(jù)特性低折射的材料也可以以相對小的花費實現(xiàn)相對大的數(shù)值 孔徑。
該任務通過具有權利要求1的特征的用于使光均勻化的裝置實 現(xiàn)。從屬權利要求涉及本發(fā)明的有利擴展方式。根據(jù)本發(fā)明，第一透鏡陣列的凸透鏡所具有的曲率小于第二透鏡 陣列的相應第一陣列的曲率。由此，入射到根據(jù)本發(fā)明的用于使光均 勻化的裝置上的激光在第 一透鏡陣列的較弱彎曲凸透鏡上被折射，然 后入射到第二透鏡陣列的比第 一透鏡陣列的透鏡更強彎曲的第 一透鏡 上。因此，借助于根據(jù)本發(fā)明的裝置，即使以根據(jù)特性低折射的材料， 也可以以很小的花費實現(xiàn)相對大的數(shù)值孔徑。通過改變第一透鏡陣列 的凸透鏡以及第二透鏡陣列的相應第一透鏡的曲率，可以有目的地適 配數(shù)值孔徑。
在一個有利實施方式中，第一透鏡陣列的凸透鏡的頂點垂線
(Scheitellinien )在射束傳播方向上與第 一透鏡陣列的第 一透鏡的頂 點垂線基本上成一直線。由此，可以使這兩個透鏡陣列相互優(yōu)化。
存在這樣的可能性，即第二透鏡陣列的至少一部分第一透鏡被凸 面地形成。其中，也可以是第二透鏡陣列的所有第一透鏡都被凸面 地形成。
可選地或補充地，還存在這樣的可能性，即第二透鏡陣列的至少 一部分第一透鏡被凹面地形成。其中也可以是第二透鏡陣列的所有 第一透鏡被凸面的形成。然后，第二透鏡陣列被設置在第一透鏡陣列 的焦平面之后。
在 一 個有利實施方式中，在第 一 透鏡陣列的相鄰兩個凸透鏡之間 分別形成間隙。
存在這樣的可能性，即第 一透鏡陣列的凸透鏡在并列設置第 一透 鏡陣列的凸透鏡的方向上具有比該間隙大的寬度。由此可以使得待均 勻化的激光的主要成分通過凸透鏡并被凸透鏡折射。
基本上，可以任意地形成第一透鏡陣列的透鏡之間的間隙。為了 簡化裝置的制造，在一個優(yōu)選實施方式中，第一透鏡陣列的凸透鏡之 間的間隙被構(gòu)造為使得到相鄰凸透鏡的過渡是連續(xù)的。
在一個特別優(yōu)選的實施方式中，間隙可以至少部分地包括凹透鏡。
在一個有利實施方式中，第二透鏡陣列的第一透鏡的曲率半徑被構(gòu)造為使得透鏡的焦點位于第二基片內(nèi)。
存在這樣的可能性，即第二透鏡陣列的第 一透鏡之間的間隙是形 狀與第 一透鏡不同的第二透鏡。
在一個有利實施方式中，可以是第二透鏡所具有的曲率半徑大
于第二透鏡陣列的第一透鏡的曲率半徑。 例如，第二透鏡可以被凹面地實現(xiàn)。


置的簡化側(cè)視圖的附圖對優(yōu)選實施例的詳細說明，本發(fā)明的其他特征 和優(yōu)點是顯然的。為了簡化以下說明，在圖l中給出了坐標系。
圖1中所示出的根據(jù)本發(fā)明的用于使光均勻化的裝置的實施例包 括第一基片IO和第二基片20?？梢钥闯觯谝换琁O在光入射面上 具有第一透鏡陣列11。而光出射面被平坦地或至少基本上平坦地實現(xiàn)。 第一透鏡陣列11具有多個凸透鏡12和多個凹透鏡13。在該實施例中， 凸透鏡12和凹透鏡13是柱面透鏡，其柱軸(Zylinderachsen )基本上 相互平行地取向?？梢钥吹剑谝煌哥R陣列11的凸透鏡l2和凹透鏡 13在x方向上交替地并列設置。因此，凹透鏡13在第一透鏡陣列11 的各個凸透鏡12之間形成間隙?；旧?，可以在x方向上并列地設置 多個凸透鏡12和凹透鏡13。第一透鏡陣列11的凸透鏡12在x方向 上具有比凹透鏡13大的延伸(Ausdehnung),并因此具有比凹透鏡 13大的寬度?？蛇x地，也存在這樣的可能性，即代替凹透鏡13，在各 個凸透鏡12之間設置具有其他形狀的間隙。該間隙在x方向上具有比 凸透鏡12小的延伸，優(yōu)選地具有明顯更小的延伸。原則上，凸透鏡 12之間的間隙可以任意形成。從制造技術角度看，只要求間隙與定界 間隙的其兩個相鄰凸透鏡12之間的過渡是(在數(shù)學角度看)連續(xù)可微 分的。
具體實施方式
在這里沒有明確顯示的一個可選實施方式中，存在這樣的可能
性，即第一基片10的光出射面配備有另一透鏡陣列。該透鏡陣列例如
可以包括柱軸可以與第一透鏡陣列11的柱面透鏡的柱軸垂直地取向 的柱面透鏡。
在射束傳播方向(z方向)上與第一基片10間隔開的第二基片 20在面向第一基片IO的光出射面的光入射面上具有第二透鏡陣列21。 在該實施例中，第二透鏡陣列21的光出射面同樣被平坦地或至少基本 平臺地被實現(xiàn)。可以看出，第二透鏡陣列21包括凸面實現(xiàn)的第一透鏡 22以及凹面實現(xiàn)的第二透鏡23，它們在該實施例中同樣是柱軸相互平 行取向的柱面透鏡。第二透鏡陣列21的凸透鏡22和凹透鏡23在x方 向上同樣相互交替地并列設置。但是，不同于第一透鏡陣列l(wèi)l，第二 透鏡陣列21的凸透鏡22在x方向上比凹透鏡23更少地延伸并因此具 有更小的寬度。還可以是在凹透鏡23的位置處分別設置各個凸透鏡 22之間的間隙，該間隙原則上可以被任意地形成。從制造技術方面看， 只要求間隙和兩個相鄰凸透鏡22之間的過渡(在數(shù)學方面看)是連續(xù) 可微分的。凸透鏡22之間的間隙于是在x方向上具有比凹透鏡23更 小的延伸，優(yōu)選為明顯更小的延伸。
在一個可選實施例中，還存在這樣的可能性，即第二基片20的 光出射面同樣配備有透鏡陣列，其例如可以包括柱軸可以垂直于第二 透鏡陣列21的柱面透鏡的柱軸地取向的多個柱面透鏡。
可以看到，在該實施例中，第一透鏡陣列的凸透鏡12的頂點垂 線在射束傳播方向(z方向)上與第二透鏡陣列21的凸透鏡22的頂 點垂線成一直線。同樣，第一透鏡陣列11的凹透鏡13的頂點垂線在 射束傳播方向上與第二透鏡陣列21的凹透鏡23的頂點垂線成一直線。 因此，第一透鏡陣列11的每個凸透鏡12對應于第二透鏡陣列21的一 個凸透鏡22。而且，在該實施例中，第一透鏡陣列11的每個凹透鏡 13對應于第二透鏡陣列21的一個凹透鏡23。
為了表示這里所示出的用于使光均勻化的裝置的工作方式，在圖 1中總共示出了這里未明確示出的例如可以是激光源(尤其是激光二極管組件或受激準分子激光器)的光源的待均勻化的光束的5個子射 束30、 31、 32、 33、 34。但是，在所示例子中基本上平行的光束3原 理上也可以是發(fā)散的，在第一透鏡陣列11的光入射面上入射到用于使 光均勻化的裝置中，并且被第一透鏡陣列11的凸透鏡12折射，并在 第一基片IO的光出射面上出射。子射束30、 31、 32、 33、 34在第一 透鏡陣列21的光入射面上成束。
如上所述，對應于第一透鏡陣列11的凸透鏡12的第二透鏡陣列 21的凸透鏡22具有帶有比第一透鏡陣列11的凸透鏡12更小的曲率 半徑以及在x方向上更小的延伸的更強曲率，并且如圖l所示，在該 實施例中，子射束30、 31、 32、 33、 32在穿過第二透鏡陣列21中成 像(abbilden)在焦點中。在該實施例中，焦點位于第二基片20內(nèi)。 在從第二基片20出射時，子射束30、 31、 32、 33、 34在光出射面上 重新被折射，從而在用于使光均勻化的裝置的工作區(qū)域中在第二基片 20之后的一特定距離中產(chǎn)生具有相對大的寬度的更均勻的、基本上線 形的區(qū)域?；旧希€存在這樣的可能性，即子射束30、 31、 32、 33、 34不在公共焦點中成像。此外，還可能是射束腰(Strahltaille )位于 第二基片20之外。
這里所示的用于使光均勻化的裝置例如可以在材料加工過程中 被使用，其中在相對小的加工距離中應該用激光照明相對長地延伸的 線形區(qū)域。
如已經(jīng)提到的，原理上還存在這樣的可能性，即第二透鏡陣列21 的凸透鏡22之間的間隙可以任意地形成，因為根據(jù)在這里所示的裝置 中占主導的幾何關系，沒有光射到該間隙上。但是，原理上還存在這 樣的可能性，即第二透鏡陣列21的凸透鏡22之間的間隙被實現(xiàn)為使 得通過該間隙的光同樣可以被用于使激光3的均勻性。基于可以被用 于制造激光陣列11、 21的制造過程， 一般不可能的是透鏡陣列11、 21在z方向上幾乎任意深地實現(xiàn)。凸透鏡12、 22分別在其最陡峭邊 沿上所對應的切線于是明顯太陡峭。在圖1中，分別在凸透鏡12、 22 的最陡峭位置處示出切線。對于這里所示的用于^f吏光均勻化的裝置的數(shù)值孔徑，在角度為—40。并且玻璃折射率為"=1.5的情況下得到大約 0.9的值。第一透鏡陣列11的凸透鏡12在z方向上的深度于是例如可 以是大約0.395mm。第二透鏡陣列21的凸透鏡22的寬度于是可以在 大約0.2mm數(shù)量級中。實驗已經(jīng)證明，在切線角度^為大約30°到40。 的情況下，借助于這里所示的裝置可以得到近似為1的數(shù)值孔徑 (NA)。借助于這里所示的裝置，還可以以具有相對低折射率的基片
10、 20實現(xiàn)根據(jù)特性大的數(shù)值孔徑。
為了在裝置的工作區(qū)域中獲得激光3的盡可能均勻的光分布，可 能還需要的是，球面地構(gòu)造第一和第二透鏡陣列11、 21的凸透鏡12、 22。
根據(jù)圖1所示用于使光均勻化的裝置的一個未明確示出的變體， 還存在這樣的可能性，即用具有對應于第一透鏡陣列11的凸透鏡12 的凹透鏡的透鏡陣列代替第二透鏡陣列21。然后，第二透鏡陣列21 設置在第一透鏡陣列11的焦點之后。
原理上，存在這樣的可能性，即代替柱面透鏡，這兩個透鏡陣列
11、 21的透鏡12、 13、 22、 23被實現(xiàn)為(具有間隙)的圓透鏡、矩 形透鏡或甚至六角形透鏡。本發(fā)明的基本思想不被限制到特定透鏡類 型。
此外，還可能的是，用于使光均勻化的裝置由多于兩個透鏡陣列 11、 21構(gòu)成。而且，所有透鏡12、 13、 22、 23相對于鏡面(y-z面) 不對稱。
原理上，借助于這里所示的用于使光均勻化的裝置，可以實現(xiàn)數(shù) 量級1中的相對大的數(shù)值孔徑。通過該結(jié)構(gòu)，尤其還可以用低折射材 料以很小的花費實現(xiàn)該值的數(shù)值孔徑。
權利要求
1. 一種用于使光均勻化的裝置，包括具有多個凸透鏡(12)的第一透鏡陣列(11)；至少一個在射束傳播方向上與所述第一透鏡陣列(11)間隔開設置的第二透鏡陣列(21)，其中被所述第一透鏡陣列(11)折射的光可以通過所述第二透鏡陣列(21)，其中所述第二透鏡陣列(21)具有分別以一間隙相互間隔開地設置的多個第一透鏡(22)；其中所述第一透鏡陣列(11)的每個凸透鏡(12)對應于所述第二透鏡陣列(21)的第一透鏡(22)中至少一個第一透鏡；其特征在于，所述第一透鏡陣列(11)的凸透鏡(12)所具有的曲率小于與其相對應的所述第二透鏡陣列(21)的第一透鏡(22)的曲率。
2. 如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述第一透鏡陣列 (11)的凸透鏡(12)的頂點垂線在射束傳播方向上基本上與所述第二透鏡陣列(21)的第一透鏡(22)的頂點垂線成一直線。
3. 如權利要求1或2所述的裝置，其特征在于，所述第二透鏡 陣列(21)的至少一部分第一透鏡(22)被形成為凸面的。
4. 如權利要求1到3中任一項所述的裝置，其特征在于，所述 第二透鏡陣列(21)的至少一部分第一透鏡(22)被形成為凹面的。
5. 如權利要求1到4中任一項所述的裝置，其特征在于，在所 述第一透鏡陣列(11)的兩個相鄰凸透鏡(12)之間分別形成間隙。
6. 如權利要求5所述的裝置，其特征在于，所述第一透鏡陣列(11) 的凸透鏡(12)在并列設置所述第一透鏡陣列(11)的凸透鏡(12) 的方向上包括比所述間隙大的寬度。
7. 如權利要求5或6所述的系統(tǒng)(600)，其特征在于，所述第 一透鏡陣列(11)的凸透鏡(12)之間的間隙被構(gòu)造為使得到相鄰凸 透鏡(12)的過渡是連續(xù)的。
8. 如權利要求5至7中任一項所述的裝置，其特征在于，所述間隙至少部分地包括凹透鏡(13)。
9. 如權利要求1至8中任一項所述的裝置，其特征在于，所迷 第二透鏡陣列(21)的第一透鏡(22)的曲率半徑被構(gòu)造為使得所迷 第一透鏡(22)的焦點位于第二基片(2)內(nèi)。
10. 如權利要求1至9中任一項所述的裝置，其特征在于，所迷 第二透鏡陣列(21)的第一透鏡(22)之間的間隙是第二透鏡(23)， 其中所述第二透鏡(23)具有與所述第一透鏡(22)不同的形狀。
11. 如權利要求IO所述的裝置，其特征在于，所述第二透鏡(23) 所具有的曲率半徑大于所述第二透鏡陣列(21)的第一透鏡(22)的 曲率半徑。
12. 如權利要求10或11所述的裝置，其特征在于，所述第二透 鏡(23)被凹面地實現(xiàn)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于使光均勻化的裝置，包括具有多個凸透鏡(12)的第一透鏡陣列(11)；至少一個在射束傳播方向上與第一透鏡陣列(11)間隔開設置的第二透鏡陣列(21)，其中被第一透鏡陣列(11)折射的光可以通過第二透鏡陣列(21)，其中第二透鏡陣列(21)具有分別以一間隙相互間隔開地設置的多個第一透鏡(22)；其中第一透鏡陣列(11)的每個凸透鏡(12)對應于第二透鏡陣列(21)的第一透鏡(22)中至少一個第一透鏡；并且第一透鏡陣列(11)的凸透鏡(12)所具有的曲率小于與其相對應的所述第二透鏡陣列(21)的第一透鏡(22)的曲率。
文檔編號G02B3/00GK101305309SQ200580052047
公開日2008年11月12日 申請日期2005年9月30日 優(yōu)先權日2005年9月30日
發(fā)明者H·甘澤, T·米特拉 申請人:Limo專利管理有限及兩合公司