用于使光均匀化的装置和用这种装置进行照明或聚焦的结构

本发明涉及如权利要求1的前序部分所述的用于使光均匀化的装 置和如权利要求9的前序部分所述的照明一个面的结构以及如权利要 求13的前序部分所述的将一个激光源的光聚焦到一个线状聚焦区中 的结构。

一种上述类型的装置已由美国专利4733944公开。其中所描述的 使光均匀化的装置包括两个相互有间距的均匀化元件，并且每个均匀 化元件包括两个光学功能边界面，要被均匀化的光穿过这些边界面。 在这四个对均匀化有贡献的边界面的每一个面上分别排列着一个柱状 透镜阵列。这两个相互有间距的均匀元件中的每一个均具有两个相互 交叉的柱状透镜阵列。例如在一个均匀化元件中入射面上的柱状透镜 阵列具有竖直方向上的圆柱轴，而出射面上的柱状透镜具有水平方向 上地圆柱轴。

借助于这种使光均匀化的装置可以使激光射线，例如由受激准分 子激光器发出的射线或由激光二极管条射出的激光射线束，不仅在第 一方向上，而且在与此方向垂直的第二方向上都被均匀化。例如在激 光二极管条的情况下，通过这种使光均匀化的装置可以不仅在所谓的 快轴上，而且也在所谓的慢轴上实现均匀化。此外由上述现有技术已 知的装置被构造成所谓的两级均匀化装置，因为要被均匀化的射线在 每一个均匀化元件中经历一次均匀化。通过这种装置的两级设备，实 现了比单级均匀化装置明显改善的均匀性。

作为现有技术中已知的这种两级均匀化装置的缺点，两个均匀化 元件难以进行调节。这些均匀化元件必须相互很严格地定位，其中每 个均匀化元件必须对总共六个轴进行精确调节。此外阵列的柱状透镜 的焦距不能自由选择，因为对于两个相互独立的均匀化方向，例如慢 轴和快轴中的每一个给出一个最佳的柱状透镜相互间距。尤其是在两 个相互独立的方向上工作的两级均匀化装置，它们对柱状透镜的焦距 误差非常敏感，因为通常这两个方向不是相互独立的。

基于上述问题，本发明的目的在于给出本说明书开始处所述类型 的装置，它可以简单地被调节。此外还在给出了照明一个面的结构和 将激光源的光线聚焦到一个线状聚焦区的结构。

本发明关于装置的任务由具有权利要求1所述区别特征的、如开 始所述类型的装置完成，关于照明一个面的结构的任务由具有权利要 求9所述区别特征的、如开始所述类型的结构完成，以及关于将激光 源的光线聚焦到一个线状聚焦区的结构的任务由具有权利要求13所 述区别特征的、如开始所述类型的结构完成。从属权利要求给出本发 明的优选改进方案。

按照权利要求1，至少一个均匀化元件的柱状透镜的圆柱轴相互 平行。所述至少一个例如构造成基片的均匀化元件完成一个两级均匀 化装置的功能。例如在均匀化一个由激光二极管条射出的激光时，一 个均匀化元件作用于一个轴或一个方向上，例如仅作用在慢轴或仅作 用在快轴上。

按照权利要求2存在以下的可能性：所述装置包括一个第一均匀 化元件和一个第二均匀化元件，它们对于要被均匀化的光线分别具有 一个入射面和一个出射面。按照权利要求3，第一均匀化元件分别具 有一个在入射面上或者在入射面附近的柱状透镜阵列以及一个在出射 面上或者在出射面附近的柱状透镜阵列，它们的圆柱轴相互平行。

按照权利要求4，第二均匀化元件具有一个在入射面上或者在入 射面附近的柱状透镜阵列，或者具有一个在出射面上或者在出射面附 近的柱状透镜阵列。作为替代，按照权利要求5，第二均匀化元件也 可分别具有一个在入射面上或在入射面附近的柱状透镜阵列，并且具 有一个在出射面上或在出射面附近的柱状透镜阵列，它们的圆柱轴相 互平行。

尤其是按照权利要求6，第一均匀化元件的柱状透镜的圆柱轴垂 直于第二均匀化元件的柱状透镜的圆柱轴。通过这种方式，激光的两 个方向或两个轴相互分开地在两个相互有间距的均匀化元件中被均匀 化。这两个均匀化元件不必再相互间被调节，因为例如作用在两个轴 之一上的柱状透镜的调节通过现在处于允差内的均匀化元件的可再现 生产而实现。通过这种方式，射线性能总是在规定上述制造允差的范 围内。此外这两个轴，例如在一个半导体激光器条情况下的慢轴和快 轴，分别不受另一个射线轴的焦距允差的影响。还存在以下可能性： 在两个轴上对激光均匀化时用于每个轴的柱状透镜的焦距可以自由地 且与另一个轴无关地被选择。

按照权利要求7存在以下可能：设置在出射面上或出射面附近的 柱状透镜的聚焦面位于入射面或入射面附近。通过这种方式，要被均 匀化的光线的均匀化得以优化。

按照权利要求8，柱状透镜被构造成凹透镜和/或凸透镜，或者被 构造成GRIN透镜(梯度指数透镜)。

按照权利要求9，用在该结构中的装置是根据本发明的用于均匀 化的装置。

按照权利要求13，在用于聚焦的结构中所使用的装置也是根据本 发明的用于均匀化的装置。

尤其是按照权利要求14，用于均匀化的装置被如此构造，使得它 仅在慢轴方向上使激光均匀化。

下面参考附图所示优选实施例进一步说明本发明的其它特征和优 点。附图中：

图1a是本发明所述用于照明的结构的顶视图；

图1b是图1a所示结构的侧视图；

图2a是本发明所述用于聚焦的结构的顶视图；

图2b是图2a所示结构的侧视图；

图3是本发明所述装置的透视图。

在某些图中为了更清晰地表示，示出了直角坐标系。

如图1a和图1b所示，根据本发明的一种结构包括一个半导体激 光器条1，它具有多个相邻并且相互间隔地排列在X方向上的发射器。 在图1a、图1b、图2a和图2b中半导体激光器条1只是示意性地由 一个矩形块表示。在半导体激光器条的情况下，在所谓快轴中、即在 Y方向或垂直于发射器相邻排列的方向上的发散度明显比在所谓慢轴 中、即X方向上的发散度更大。

由图1a和图1b可见，在从半导体激光器条1的各个发射器射出 的激光的传播方向Z上快轴准直仪2连接在半导体激光器条1上。快 轴准直仪2被构造成例如平凸柱状透镜，其圆柱轴在X方向上延伸。 通过这种柱状透镜，由各个激光器射出的激光在Y方向或快轴上被限 制其偏转地准直。为了完成准直，用作快轴准直仪2的柱状透镜可具 有一个非球面的表面。代替仅在其出射面具有一个凸曲率的柱状透镜， 也可采用一个具有凸弯曲的入射面的柱状透镜。作为替代，不仅是入 射面而且出射面都可以是凸和/或凹弯曲的。

在传播方向Z上，射线变换元件3连接到快轴准直仪2上。入射 的光线在射线变换元件3中旋转90°的角度，即快轴(Y方向)的发 散度与慢轴(X方向)的发散度互换，从而在从射线变换元件3出射 后在Y方向上的发散度比在X方向上的发散度更大。

射线变换元件3可以是一个基本上呈矩形六面体形状的、由透明 材料构成的块，在其上不仅在入射面而且也在出射面上相互平行地排 列有多个用作射线变换单元的柱状透镜段。射线变换单元的轴这里可 以与矩形六面体形射线变换元件3的沿X方向前进的基面以45°的夹 角α连接。

在激光传播方向Z上，另一个准直仪4连接在射线变换元件3后 面，从而可以得到例如10mm×10mm的射线，它在Y方向上有约 11mrad(毫弧度)的发散度，在X方向上有约3mrad的发散度。发 散度的数值和射线直径与半最大强度(FWHM)的射线宽度有关。准 直仪4被构造成具有在X方向上延伸的圆柱轴的平凸柱状透镜。由于 激光在射线变换元件3中的偏转，准直仪4有与快轴准直仪2相同的 定向。与快轴准直仪2一样，准直仪4也可有其它的结构。尤其是不 仅入射面、而且出射面都可以具有凸和/或凹曲率。

在传播方向Z上，第一均匀化元件5连接在准直仪4后面，第一 均匀化元件5后面连接有第二均匀化元件6。均匀化元件5在其入射 面7上具有柱状透镜9的阵列，这些透镜的圆柱轴在X方向上延伸(参 见图3)。此外第一均匀化元件5在其出射面8上具有柱状透镜9的阵 列，这些透镜的圆柱轴在X方向上延伸。通过第一均匀化元件的入射 面和反射面7，8上的柱状透镜，穿过第一均匀化元件5的激光非常有 效地在Y方向上相互叠加。通过这种有效的叠加，由图1b中第一均 匀化元件5后面所示聚焦区可以看出，可以实现激光在Y方向上的均 匀化。

在传播方向Z上，所述结构在第一均匀化元件5后面包括第二均 匀化元件6。这个第二均匀化元件6在其入射面7和其出射面8上分 别具有一个由柱状透镜9组成的柱状透镜阵列，柱状透镜9在Y方向 上延伸(参见图3)。通过第二均匀化元件6的入射面和出射面7，8 上的柱状透镜阵列，穿过第二均匀化元件6的激光非常有效地在X方 向上相互叠加。通过这种有效的叠加，由图1a中第二均匀化元件6 后面所示聚焦区可以看出，可以实现激光在X方向上的均匀化。

这里用于均匀化的装置包括第一和第二均匀化元件5，6。从而在 本发明所述装置中激光整体上在两个方向或轴上被均匀化，其中第二 级只在X方向上起作用，第一级只在Y方向上起作用。

均匀化元件5，6的柱状透镜9可以构造成凸(例如参见图3)和 /或凹的柱状透镜。作为替代，柱状透镜也可构造成GRIN透镜(梯度 指数透镜)。在这种情况下，柱状透镜不是安放在入射面或出射面上， 而是通过一个变化的基片折射率形成在分别形成均匀化元件5，6的基 片内部，位于入射面或出射面附近。

激光均匀地从第二均匀化元件6继续射出，并可用于远离此装置 的一个面的照明。

图2a和图2b所示根据本发明的结构的实施方式同样包括一个具 有多个发射器的半导体激光器条1。

这种结构还包括快轴准直仪2，它可以像图1a和1b的快轴准直 仪2一样设计。这里半导体激光器与快轴准直仪2之间的距离可以选 择得比较大，使得激光在Y方向上穿过快轴准直仪2之后具有相对较 大的延展。

本发明所述结构在射线方向上在快轴准直仪2之后包括慢轴准直 仪10，它在所示实施例中被构造成慢轴准直仪10的入射面和出射面 上的柱状透镜。慢轴准直仪10的柱状透镜的圆柱轴这里在Y方向上 延伸。尤其是慢轴准直仪可以如此被设置，使得从每个发射器分别射 出的激光子射线射入到入射面上每个相应的柱状透镜中。每个子射线 被相应的柱状透镜在慢轴上或在X方向上进行准直。

图2a和2b所示慢轴准直仪10的实施方式是一个望远镜结构。然 而也存在以下可能性：慢轴准直仪10被构造成一个仅设置在一个面 上、例如入射面或出射面上的柱状透镜阵列。此外还可以利用多于两 个的光学功能的、特别是弯曲的类似柱状透镜的面用作慢轴准直仪 10。

图2a和2b所示本发明所述结构的实施方式还包括在传播方向上 位于慢轴准直仪10之后的均匀化元件6。此均匀化元件6在其结构上 与图1a和图1b所示结构中的第二均匀化元件6完全一致。在入射面 7和出射面8上的柱状透镜9的轴这里在Y方向上延伸，从而使激光 射线3仅在慢轴方向上受柱状透镜9影响。

通过穿过均匀化元件6的柱状透镜9，激光光线的各个子射线非 常有效地在慢轴方向上或在X方向上相互叠加。从均匀化元件6射出 的激光可以被设置在传播方向Z上均匀化元件6后面的聚焦元件11 聚焦。在所示实施例中聚焦元件11被构造成旋转对称的平凸透镜。聚 焦元件11也可以有另外的结构，例如是一个双凸透镜或是多个共同起 作用的透镜。该透镜可将激光射线10在快轴上或在Y方向上聚焦， 并且同时作为场透镜用于仅在慢轴上或在X方向上起作用的均匀化元 件6。这里用作聚焦元件11的透镜的焦点可实际上位于一个平面上， 在此平面上激光的场在慢轴方向上被用作场透镜的透镜均匀化。

图2a和图2b中穿过均匀化元件10的激光射线只是示意性地被示 出。然而通过每个柱状透镜9，穿过它的光线在多个不同方向上被中 断。通过用作聚焦元件11或场透镜的平凸球面透镜，在一个直线状聚 焦区中的每个以相同角度射到场透镜上的子射线被偏转到相同的位置 上，从而使得在聚焦区中的来自原始激光射线的各个子射线的激光光 线部分在X方向上或在慢轴方向上被均匀分配到其宽度上。

聚焦元件11将激光聚焦到一个直线状的聚焦区中，此聚焦区在X 方向上延伸，并在Y方向上具有非常小的延展。例如存在以下可能性： 聚焦区在Y方向上或在快轴方向上的延展小于1mm或小于0.5mm。 此外还存在以下可能性：直线状聚焦区在X方向上或在慢轴方向上的 宽度大于5mm或大于20mm。聚焦元件11的出射面与直线状聚焦区 之间的距离d可以相当大，例如大于50mm，尤其是大于200mm。