專利名稱：用于進行光束變換的結構和裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于進行光束變換的結構，它包括至少一個可發(fā)出至少一束光束的光源，其中至少一個光束在第一方向上具有比在與此方向垂直的第二方向上更大的發(fā)散度，此結構具有一個準直裝置，它至少可以減少至少一個光束在第一方向上的發(fā)散度，此結構還具有一個用于進行光束變換的裝置，它在至少一個光束的傳播方向上被設置在準直裝置后面，并且該裝置如此被構造，使得通過此裝置的至少一個光束在第一方向上的發(fā)散與在與其垂直的第二方向上的發(fā)散進行交換。此外本發(fā)明還涉及一種用于進行光束變換的裝置，它具有至少一個入射面和至少一個出射面，并且此裝置如此被構造，使得通過此裝置的光束在第一方向上的發(fā)散與在與其垂直的第二方向上的發(fā)散進行交換。
背景技術：
上述方式的結構和裝置已被歐州專利申請EP1006382A1公開。其中所述的裝置包括例如一個由透明材料構成的基體，它具有入射面和出射面。不僅入射面，而且出射面也被設計基本呈矩形和縱向延伸的。入射面和出射面的縱向延伸基本是在第二方向上。如果光源是一個激光二極管條塊，第二方向相應于這樣的方向在此方向上相鄰且有間距地排列著激光二極管條塊的各個發(fā)射器。發(fā)散度較小的方向被稱為慢軸。與其垂直的第一方向是更大發(fā)散度的方向，在半導體激光二極管條塊情況下此方向被稱為快軸。
在上述現(xiàn)有技術所公開的裝置中不僅在入射面，而且在出射面上還具有多個柱面透鏡，它們的圓柱軸全部相互平行。入射面和出射面上的柱面透鏡的圓柱軸在不僅與慢軸而且也與快軸形成45°或-45°角。一個由激光二極管條塊的一個發(fā)射段發(fā)出的光束-它起初以直線在慢軸方向上傳播—在行進中被現(xiàn)有技術中已知的用于光束變換的裝置偏轉90°，使得此光束在通過此裝置的行進過程后直線地在快軸方向上傳播。這種裝置給出了以下優(yōu)點通過各個光束的偏轉避免了各個光束在慢軸方向上的重疊。
作為現(xiàn)有技術中已知的這種裝置的缺點，光束的橫截面在行進中被此裝置隨之放大了，這是因為全部相互平行的柱面透鏡只在垂直于傳播方向的方向上影響光束，而與此方向垂直的方向不受此裝置或此裝置的柱面透鏡的任何影響。從而光束在此方向上相互獨立行進，使得通過此裝置的各個分光束在通過之后很難聚焦到一個公共的焦點上。此外其原因還在于，對于垂直于傳播方向的那個方向，在此裝置后面例如被設計為激光二極管條塊的光源的各個發(fā)射器被成像，而對于垂直于傳播方向和上述方向的方向則沒有此情況。此外，通過此裝置時發(fā)生的光束展寬會導致各分光束至少部分地重疊，使得僅由此原因已不可能使全部分光束在一個公共聚焦區(qū)上清晰聚焦。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的問題在于給出本說明書開始對所述類型的結構和裝置，它們使得在通過此裝置后可以更好地聚焦光束。
按照本發(fā)明，開始所述類型的結構具有權利要求1或2所述特征，本說明書開始處所述類型的裝置具有權利要求6或7所述特征。
按照權利要求1或權利要求6，用于進行光束變換的裝置如此構造，使得至少一個光束的橫截面在所述用于光束變換的裝置中被縮小。通過這個至少一個光束在此裝置中的縮小可以有效地避免多個通過此裝置的光束在通過此裝置后或在通過此裝置后的短距離內(nèi)相互重疊。這種縮小可以例如在相互垂直并與傳播方向垂直的兩個方向上有同樣的強度，尤其是對應約為2的因子。
按照權利要求2或權利要求7，用于進行光束變換的裝置如此構造，使得此裝置可以對于相互垂直且垂直于光束傳播方向的兩個方向可以在一個平面中形成至少一個被其變換的光束的像。通過對于兩個相互垂直方向在一個平面中形成一個像，明顯優(yōu)化了對于這兩個相互垂直方向上光束的聚焦能力。尤其是此射線可以沒有附加成像誤差地聚焦。
按照權利要求3或權利要求7，可以形成被變換光束的像的那個平面是垂直于傳播方向的平面。
按照權利要求4，此結構在至少一個光束的傳播方向上、在用于進行光束變換的裝置之后包括用于至少一個光束的準直和/或聚焦的準直裝置和/或聚焦裝置。
此外按照權利要求5，至少一個光源被設計為半導體激光裝置，尤其是半導體激光二極管條塊。
按照權利要求9，在此裝置的至少一個入射面和/或出射面上設置多個柱面透鏡。
按照權利要求10，柱面透鏡與第二方向形成+45°和/或-45°的角。
此外，按權利要求11，此裝置的至少一個入射面和/或至少一個出射面具有基本上縱向延伸、最好為矩形的形狀，并且入射面和/或出射面的縱向延伸基本對應于第二方向。
按照權利要求12，此裝置包括兩個部分，這兩個部分分別具有一個入射面和一個出射面。
按照權利要求13，所述兩個部分的入射面和出射面中的每一個面上都設置多個柱面透鏡。
按照權利要求14，所述兩個部分的兩個面上的柱面透鏡垂直于所述兩個部分的另外兩個面上的柱面透鏡設置。通過使一些面上的柱面透鏡垂直于另一些面上的柱面透鏡，可以實現(xiàn)至少一個通過此裝置的光束在兩個相互垂直的方向上受此裝置影響。
按照權利要求15，所述裝置的入射面和/或出射面中至少一個面具有多個凹柱面透鏡。尤其是通過可以串接排列的凹面和凸面的柱面透鏡組合可以實現(xiàn)對于兩個相互垂直的方向能在同一平面中或像。
按照權利要求16，對于所述兩個部分中的至少一個部分，多個柱面透鏡在其入射面和/或出射面上的焦距是不同的。通過串接排列的柱面透鏡的不同焦距可實現(xiàn)例如在望遠鏡范圍內(nèi)實現(xiàn)光束橫截面的縮小。望遠鏡可以如此實現(xiàn)在各部分的入射面和出射面上的柱面透鏡間的距離對應于這些柱面透鏡的焦距之和。
按照權利要求17，至少一個部分的柱面透鏡的焦距是相應部分的另一些柱面透鏡的焦距的整數(shù)倍。通過如此選擇焦距可以實現(xiàn)至少一個通過此裝置的光束的整數(shù)縮小。


借助下面參照附圖對優(yōu)選實施例的說明可進一步說明本發(fā)明的特點和優(yōu)點。附圖中圖1a是本發(fā)明用于進行光束變換的結構的側視圖；圖1b是圖1a所示結構的俯視圖；圖2是本發(fā)明用于進行光束變換的裝置的透視圖；圖3a是沿圖2中箭頭IIIa-IIIa的剖面圖；圖3b是沿圖2中箭頭IIIb-IIIb的剖面圖；圖4a是在圖3a的成像平面中通過本發(fā)明裝置的光束行進路線例；圖4b是在圖3b的成像平面中通過本發(fā)明裝置的光束行進路線例；圖5是通過圖2所示裝置前后光束的橫截面；圖6是本發(fā)明結構的另一實施例的透視圖；圖7是圖6所示其后具有準直裝置的用于進行光束變換的裝置的后視圖。
具體實施例方式
在圖1a至圖7中示出了改進的定向卡笛爾座標系。
在圖1a和圖1b中所示的本發(fā)明的結構的實施方式包括一個設計為激光二極管條塊的光源1，它具有相鄰排列在X方向上并在X方向有相互間距的發(fā)射段。從各發(fā)射段2發(fā)出的光束在對應于Y方向的第一方向上具有比在對應于X方向的第二方向上更大的發(fā)散度。通常稱更大發(fā)散度的方向為“快軸”，稱較小發(fā)散度的方向為“慢軸”。
在傳播方向Z上，在發(fā)射段2之后所示結構包括一個設計成快軸準直透鏡的準直裝置4。此準直裝置4可以是一個平凸柱面透鏡，其圓柱軸沿X方向延伸。尤其是此柱面透鏡可具有非常小的焦距并設置在非?？拷l(fā)送段2的地方。
在傳播方向Z上，在準直裝置4之后設置了根據(jù)本發(fā)明的用于進行光束變換的裝置5，此裝置5在所示實施例中由兩個分開的部分6，7構成，這兩個部分前后放置在傳播方向Z上，并分別具有一個入射面和一個出射面。裝置5將在下面參考圖2至圖5詳細說明。
光束3中的每一個光束在裝置5中如此被變換，使得其橫截面被縮小，并且同時X方向的發(fā)散與Y方向的發(fā)散被交換。這使得各光束3在X方向上的相互距離明顯增大。從而在各光束3之間形成不被光線填充的區(qū)域。為了能獲得更好的聚焦能力，使所有光束3聚焦到例如一點上，在傳播方向Z上，在裝置5之后設置一個透鏡陣列8，它可以不僅在入射面上，而且也在出射面上具有透鏡9，10。透鏡9，10為柱面透鏡，其圓柱軸沿Y軸延伸。通過此透鏡陣列8各光束被展寬，使得各光束之間在X方向的距離明顯減小。
在傳播方向Z上透鏡陣列8之后可以設置一個準直透鏡11，它例如包括一個柱面透鏡，其圓柱軸沿X方向延伸。由圖1a和圖1b可見，各光束12在通過裝置5之后在X方向上、并且在原來的慢軸方向上沒有或僅限于衍射的發(fā)散，而各光束12在Y方向上、并且在原來的快軸方向上具有發(fā)散，它對應于通過裝置5之前原光束在慢軸方向上的發(fā)散。在通過裝置5后在慢軸方向上的發(fā)散與在快軸方向上的發(fā)散交換。因此通過準直透鏡11可以去除在快軸方向上的殘留發(fā)散。從準直透鏡11出來的光束12是基本平行的光線，它可以非常簡單地被聚焦。
由圖1a和圖1b可見，光束12不僅在X方向上而且在Y方向上基本同樣地傳播。從而光束12可以用一個在正的Z方向上在準直透鏡11之后設置的聚焦透鏡29非常有效地聚焦到一根玻璃纖維30的入射面上。
如由圖2所示，用于進行光束變換的裝置5由第一部分6和第二部分7組成。部分6在其入射面上具有多個柱面透鏡13，其圓柱軸以α＝45°的角度相對于X軸傾斜。在所示實施例中只示出6個柱面透鏡13。然而存在更多的柱面透鏡13的可能性。圖2僅作為簡化描述。
在部分6的出射面上同樣具有多個柱面透鏡14，其圓柱軸同樣以α＝45°的角度相對于X軸傾斜。還是由圖3a可見，不僅柱面透鏡13，而且柱面透鏡14被設計為凸面的。圖3a示出圖2中沿Y’方向的剖面圖。相反圖3b示出旋轉90°的視圖，即沿著圖2所示X’方向的剖面圖。相應地，柱面透鏡13，14的圓柱軸在X’方向上延伸。
裝置5的第二部分7在其入射面上同樣具有凸面的柱面透鏡15。然而此柱面透鏡15的圓柱軸以與X方向成135°角度的方向并沿著Y’方向延伸。
部分7在其出射面上具有凹面的柱面透鏡16，它們的相互平行排列的圓柱軸同樣與X方向形成135°角度，并且同樣沿Y’方向延伸。
由圖4a和圖4b可見各個柱面透鏡13，14，15，16的焦距。特別是，f1表示第一柱面透鏡13的焦距，f2表示第二柱面透鏡14的焦距，這里f1＝2*f2。f3表示第三柱面透鏡15的焦距，這里f3＝2*f1+2*f2。f4表示第四柱面透鏡16的焦距，這里f3＝2*f4。
尤其是這里部分6，7如此設置，使得設置在部分6出射面上的第二柱面透鏡14與設置在部分7入射面上的第三柱面透鏡15之間的距離對應于第二柱面透鏡14的焦距f2。
在Z方向上第一柱面透鏡13至第二柱面透鏡14的光學距離對應于柱面透鏡13，14的兩個焦距f1、f2之和。這由圖4a清楚可見。在Z方向上第三柱面透鏡15至第四柱面透鏡16的光學距離對應于第四柱面透鏡16的焦距f4。這由圖4b清楚可見。
由圖4a和4b可詳細得知裝置5的成像過程。特別是在圖4a和4b中柱面透鏡13，14，15，16簡示為帶有箭頭的線條。在相應透鏡系統(tǒng)的用附圖標記17表示的光軸上，各透鏡的聚焦點用十字叉號表示。在圖4a和圖4b之間補充示出各個焦距f1，f2，f3，f4的位置。
這里應該說明，第一柱面透鏡13和第二柱面透鏡14由于其圓柱軸指向X’方向而對光束在X’方向上至光軸的距離沒有影響。因此在圖4b中沒有示出裝置5的第一部分6的柱面透鏡13，14。類似地，第二部分的第三柱面透鏡15和第四柱面透鏡16由于它們的圓柱軸指向Y’方向而對圖4a所示在Y’方向上與光學軸有間距的光束沒有影響，從而在圖4a中沒有示出第二部分7的柱面透鏡15，16。因而第一部分6的柱面透鏡13，14僅在Y’方向上起透鏡作用，而在X’方向上對通過它們的光束沒有影響。相應地，第二部分7的柱面透鏡15，16僅在X’方向上對通過它們的光束起作用，而在Y’方向上對通過它們的光束沒有影響。
由圖4a可見，在Y’方向上與光軸17距離為GY的點—它在Z方向上與柱面透鏡13的間距對應于第一柱面透鏡13的焦距f1—被由柱面透鏡13，14所構成的成像系統(tǒng)成像在一個點上，這個點在Y’方向上與光軸17有距離By。此成像點By在Z方向上位于第二柱面透鏡14之后的一個距離處，此距離對應第二柱面透鏡14的焦距f2。
圖4b示出在X’方向上與光軸17距離為Gx的點通過由第三和第四柱面透鏡15，16構成的成像系統(tǒng)的成像情況。由于第四柱面透鏡16是發(fā)散透鏡，通過圖4b所示成像系統(tǒng)形成的是一個虛像，此虛像在所示實施例中在Z方向上精確地處于與第三柱面透鏡15所在位置相同的位置上。此虛像在X’方向上與光軸有一個距離，它是距離GX的一半。因而由第三和第四柱面透鏡15，16構成的成像系統(tǒng)使通成像系統(tǒng)的光束的橫截面縮小一個因子2。此外由圖4b可見，虛像在X’方向上位于光軸17的同一側，從而可以證明此成像對應于M＝+1/2。
相反，在由第一和第二柱面透鏡13，14構成的成像系統(tǒng)中在光軸17的相反一側上形成一個縮小的圖像。尤其是這里距離GY是距離BY的兩倍，因而可以說明此成像對應于M＝-1/2。
作為本發(fā)明裝置5很大的優(yōu)點，不僅圖4a所示由第一和第二柱面透鏡13，14構成的成像系統(tǒng)的成像，而且圖4b所示由第三和第四柱面透鏡15，16構成的成像系統(tǒng)的成像位于相同的X’-Y’平面或X-Y平面上，并從而相對于Z方向在同一平面上。這樣對于傳播方向Z在可預定位置上形成圖像，它不僅對于X’方向，而且對于Y’方向具有可預先給定的特性。此圖像可以非常簡單地被后續(xù)的透鏡裝置準直或聚焦。
在本發(fā)明的裝置中最終不取決于透鏡13，14，15，16在什么位置，而是兩個在X’方向和Y’方向產(chǎn)生的圖像在相同的X’-Y’平面或相同的X-Y平面中。例如圖像BX不一定精確地形成在柱面透鏡15所在的Z位置上。此圖像BX可以形成在柱面透鏡15的后面或前面。
此外存在以下可能裝置5的兩個部分6，7在它們的入射面和出射面上都具有柱面透鏡，它們的透鏡軸相互垂直。例如一個僅作用于X’方向的柱面透鏡—如柱面透鏡15—被設置在第一部分6的出射面上，而一個僅作用于Y’方向的柱面透鏡—如柱面透鏡14可設置在第二部分7的入射面上。必須保證的只是，基于所選用的焦距f1，f2，f3，f4和柱面透鏡13，14，15，16的相應位置，對于X’方向或Y’方向形成的圖像BX和BY形成在垂直于Z方向的相同平面上。
圖5也簡要示出了通過裝置5之前的光束3的橫截面和通過裝置5之后光束12的橫截面。顯見光束3的橫截面在兩個方向上約被減半。圖5示出在通過裝置5之前光束3具有基本呈矩形的模截面。此矩形橫截面的角用字母a，b，c，d表示。
通過裝置5之后的光束12的橫截面同樣為矩形，此矩形的角用字母a*，b*，c*，d*表示?？梢娫瓉砉馐?的橫截面是X方向為長邊的矩形，通過裝置之后變換為光束12的橫截面，即Y方向為長邊的矩形。此外橫截面的縮小是顯而易見的。由裝置5完成的光束變換已對光束3或光束12實現(xiàn)了圍繞傳播方向Z的90°旋轉，緊接著通過鏡面反射作用在一個與傳播方向Z平行的平面上，此平面通過Y方向。最終對光束3或光束12進行的光束變換除了縮小橫截面外還完成了在慢軸方向(X方向)和在快軸方向(Y方向)上發(fā)散的變換。在現(xiàn)有技術已知的用于光束變換的裝置中這通常通過簡單地偏轉90°實現(xiàn)。
圖6示出本發(fā)明結構的另一實施方式，它在原理上非常類似于圖1a和圖1b所示結構。特別是這里光源18被設計為具有相等大小冷卻體的半導體激光裝置。半導體激光元件在圖6中未示出。此外聚焦透鏡29和玻璃纖維30也未示出。一個準直裝置19連接在光源18上，它被設計成均勻延伸的玻璃基體，在其中構造了用作快軸準直透鏡的柱面透鏡20。
在光束方向或Z方向上接著設置有一個根據(jù)本發(fā)明的用于光束變換的裝置21。此裝置同樣由兩部分22，23組成，像裝置5的部分6，7那樣，這兩部分不僅在入射面上而且在出射面上也具有柱面透鏡，它們在原理上對應于圖3a和圖3b中示出的柱面透鏡13，14，15，16。
在正的Z方向上接著設置一個透鏡陣列24，它只在其出射面上具有柱面透鏡。
在正的Z方向上接著設置一個準直透鏡25，它基本對應于準直透鏡11。
圖7還示出裝置21的兩個部分22，23和準直裝置19一起在負的Z方向上的視圖。由圖可見，各柱面透鏡—其中在部分22的出射面上的柱面透鏡26和在部件23的出射面上的柱面透鏡27用附圖標記表示—具有基本為正方形的孔28，這些孔在Z方向上與準直裝置19的柱面透鏡20對準。半導體激光器的光線必須通過這些相對較小的正方形孔28，使得在通過裝置21或裝置5時光束3的橫截面明顯縮小。
權利要求
1.用于進行光束變換的結構，它包括—至少一個光源(1，18)，它能發(fā)出至少一個光束(3)，其中至少一個光束(3)在第一方向(Y)上比在與第一方向垂直的第二方向(X)上具有更大的發(fā)散度；—準直裝置(4，19)，它至少可減小至少一個光束(3)在第一方向(Y)上的發(fā)散度；—用于進行光束變換的裝置(5，21)，它在至少一個光束(3)的傳播方向(Z)上被設置在準直裝置(4，19)之后，其中裝置(5，21)如此構造，使得通過裝置(5，21)的至少一個光束(3)在第一方向(Y)上的發(fā)散與在與第一方向垂直的第二方向(X)上的發(fā)散相交換；其特征在于，用于光束變換的裝置(5，21)如此構造，使得至少一個光束(3)的橫截面在用于光束變換的裝置(5，21)中被縮小。
2.如權利要求1所述或如權利要求1的前序部分所述的結構，其特征在于，用于光束變換的裝置(5，21)如此構造，使得它可以相對于兩個相互垂直并垂直于光束(3)傳播方向(Z)的方向(X’，Y’)在一個平面中形成至少一個被它變換的光束(3)的像。
3.如權利要求2所述的結構，其特征在于，形成被變換的光束(3)的像的平面是一個垂直于傳播方向(Z)的平面。
4.如權利要求1至3中任一項所述的結構，其特征在于，此結構在至少一個光束(3)的傳播方向(Z)上在用于進行光變換的裝置(5，21)之后包括用于對至少一個光束(3，12)進行準直和/或聚焦的準直裝置和/或聚焦裝置。
5.如權利要求1至4中任一項所述的結構，其特征在于，至少一個光源(1，18)被設計為半導體激光裝置，尤其是半導體激光二極管條塊。
6.用在如權利要求1至5中任一項所述的結構中具有至少一個入射面和至少一個出射面的用于光束變換的裝置，該裝置(5，21)如此構造，使得通過裝置(5，21)的光束(3)在第一方向(Y)上的發(fā)散與在與第一方向垂直的第二方向(X)上的發(fā)散相交換，其特征在于，用于光束變換的裝置(5，21)如此構造，使得至少一個光束(3)的橫截面在用于光束變換的裝置(5，21)中被縮小。
7.如權利要求6所述或如權利要求6的前序部分所述的裝置，其特征在于，用于光束變換的裝置(5，21)如此構造，使得它可以相對于兩個相互垂直并垂直于光束(3)的傳播方向(Z)的方向(X’，Y’)在一個平面中形成至少一個被它變換的光束(3)的像。
8.如權利要求7所述的裝置，其特征在于，形成被變換的光束(3)的像的平面是一個垂直于傳播方向(Z)的平面。
9.如權利要求6至8中任一項所述的裝置，其特征在于，在裝置(5，21)的至少一個入射面和/或至少一個出射面上設置多個柱面透鏡(13，14，15，16)。
10.如權利要求9所述的裝置，其特征在于，柱面透鏡(13，14，15，16)與第二方向(X)間以+45°和/或-45°的角(α)安置。
11.如權利要求9或10所述的裝置，其特征在于，裝置(5，21)的至少一個入射面和/或至少一個出射面具有一個基本上有長邊的形狀，最好是矩形，其中入射面和/或出射面的長邊方向基本對應于第二方向(X)。
12.如權利要求6至11中任一項所述的裝置，其特征在于，所述裝置包括兩個部分(6，7；22，23)，它們分別具有一個入射面和一個出射面。
13.如權利要求12所述的裝置，其特征在于，在兩個部分(6，7；22，23)的每個入射面和出射面上設置多個柱面透鏡。
14.如權利要求12或13所述的裝置，其特征在于，兩個部分(6，7；22，23)的兩個面上的柱面透鏡(13，14)垂直于兩部分(6，7；22，23)的另外兩個面上的柱面透鏡設置。
15.如權利要求6至14中任一項所述的裝置，其特征在于，裝置(5，21)的至少一個入射面和/或出射面設置有多個凹柱面透鏡(16)。
16.如權利要求12至15中任一項所述的裝置，其特征在于，對于兩個部分(6，7；22，23)中的至少一個部分，在其入射面和/或出射面上的柱面透鏡(13，14，15，16)的焦距是不同的。
17.如權利要求16所述的裝置，其特征在于，兩個部分(6，7；22，23)中的至少一個部分的柱面透鏡(13，14，15，16)的焦距是相應部分(6，7；22，23)的其它柱面透鏡(13，14，15，16)的焦距(f1，f2，f3，f4)的整數(shù)倍。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于進行光束變換的結構，它包括一個光源(1，18),它可發(fā)出至少一個光束(3)，并且至少一個光束(3)在第一方向(Y)上具有比在與第一方向垂直的第二方向(X)上更大的發(fā)散度，準直裝置(4，19),它至少可減小至少一個光束(3)在第一方向(Y)上的發(fā)散度，用于光束變換的裝置(5，21),它在至少一個光束(3)的傳播方向(Z)上被安置在準直裝置(4，19)之后,其中裝置(5，21)如此構造，使得通過裝置(5，21)的至少一個光束(3)在第一方向(Y)上的發(fā)散與在第一方向垂直的第二方向(X)上的發(fā)散相交換，并且至少一個光束(3)的橫截面在用于光束變換的裝置(5，21)中被縮小。
文檔編號G02B3/06GK1611969SQ20041009017
公開日2005年5月4日 申請日期2004年10月29日 優(yōu)先權日2003年10月30日
發(fā)明者阿勒克塞·米克海洛弗 申請人:翰茲-利索茲切科專利管理有限公司及兩合公司