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Dokumentenidentifikation DE10341531B4 25.10.2007
Titel Vorrichtung zur Kollimation eines Laserdiodenarrays mit hoher Leuchtstärke
Anmelder Deutsch-Französisches Forschungsinstitut Saint-Louis, Saint-Louis, Haut-Rhin, FR
Erfinder Lutz, Yves, Hesingue, FR
Vertreter Schwabe, Sandmair, Marx, 81677 München
DE-Anmeldedatum 09.09.2003
DE-Aktenzeichen 10341531
Offenlegungstag 22.04.2004
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 25.10.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 25.10.2007
IPC-Hauptklasse G02B 6/30(2006.01)A, F, I, 20060503, B, H, DE
IPC-Nebenklasse G02B 6/43(2006.01)A, L, I, 20060503, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere den Bereich der Vorrichtungen, welche die stimulierte Emission benutzen, und hat insbesondere zum Gegenstand eine Vorrichtung zur Kollimation eines Laserdioden-Arrays mit hoher Leuchtstärke.

Um Nachtbilder einer Szene, die Gegenstände in schneller Bewegung und auf große Entfernungen enthält, bei totaler Lichtabwesenheit aufzunehmen, ist es unentbehrlich, zusätzlich zu der Vorrichtung zur Sichtbarmachung (Optik + Kamera) eine spezifische Beleuchtungsquelle zu verwenden. Die Hauptmerkmale dieser Quelle sind: Richtwirkung, hohe Spitzenleistung und die Wellenlänge, die auf das Empfindlichkeitsmaximum des benutzten Detektors zentriert ist. Der Laser besitzt diese Qualitäten und unter den verschiedenen Typen von Laserquellen scheint der Halbleiterlaser oder Diodenlaser aufgrund seiner ausgezeichneten Eigenschaften hinsichtlich optischem/elektrischem Wirkungsgrad, Leistungen, Kompaktheit und Kosten am besten geeignet zu sein. Die Tatsache, dass diese Quelle keinerlei Einstellung oder Justierung der Kavität erfordert, macht sie besonders geeignet für eine Verwendung in rauher Umgebung (Vibrationen und Stoßeinwirkungen). Um über eine ausreichende Beleuchtungsleistung verfügen zu können, benutzt man Bestandteile mit vielen Sendern, die als Array auf der Sendeoberfläche angeordnet sind und bei denen jeder Sender einen Laser darstellt. Die Gesamtleistung des Bauteils wird dann durch Addition der Leistung jedes einzelnen Senders erhalten. Bei den „klassischen" Arrays findet man bis zu 200 Sender pro Bauteil bei einer Gesamtemissionsfläche von 10 × 10 mm. Jeder Sender dieses Arrays emittiert einen Laserstrahl mit einer Divergenz in der Größenordnung von 10°, in einer Achse, die zur Verbindung parallel ist, und mit einer Divergenz in der Größenordnung von 40° in einer Achse, die zur Verbindung senkrecht ist. Um einen brauchbaren Laserstrahl zu erhalten, das heißt mit reduzierter und symmetrischer Divergenz in beiden Achsen, ist es notwendig, diese Strahlen zu kollimieren. Bei den klassischen Arrays werden viele Techniken verwendet. Wenn man über eine höhere Beleuchtungsleistung verfügen will, kann man entweder die Größe des Senderarrays erhöhen, oder die Dichte der Sender auf der Sendeoberfläche erhöhen.

Die erste Möglichkeit hat den großen Nachteil, dass es zu einer übermäßigen Größe der totalen Sendeoberfläche kommt. Das Element verliert damit seine Eigenschaft der Kompaktheit und der Steifigkeit; außerdem wird die Leuchtstärke der Quelle reduziert, was eine direkte Auswirkung auf die Größe der Optiken für die Strahlbehandlung hat.

Ein zweiter Weg besteht darin, die Dichte der Sender auf dem Array zu erhöhen. Auf diese Weise erhöht man die Leuchtstärke der Quelle sowie die Kompaktheit des Elements. Solche Bestandteile sind vor kurzem auf dem Markt unter dem Namen Array oder Stack mit hoher Leuchtstärke aufgetaucht. Man findet auf solchen Elementen bis zu eintausend Sender oder Laser auf einer Oberfläche von 10 × 1,5 mm. Diese Erhöhung der Dichte hat jedoch zwei Nachteile: die Kühlung und die Kollimation werden schwieriger. Die Kühlung hat eine direkte Auswirkung auf die mittlere Leistung bzw. auf die Repetitionsrate, die niedriger sein wird als bei den klassischen Arrays. Mit einem Array mit hoher Leuchtstärke kann man jedoch mit hohen Spitzenleistungen bei einer Wiederholrate, die größer als die Videofrequenz (25 Hz) ist, arbeiten. Eine höhere Senderdichte hat einen Einfluss auf die Kollimation der Strahlen. Die Distanz zwischen den Sendern eines klassischen Arrays erlaubt jedem Sender seine eigene Mikrolinse oder Mikrofaser zuzuordnen. Bei Arrays mit hoher Leuchtstärke sind aufgrund der Packungsdichte der Sender diese Kollimationstechniken nicht verwendbar.

Das Patent US-5,825,803 A beschreibt die Benutzung von Linsen, die aus Fasern mit stufenartiger Variation des Brechungsindex bestehen, und bei denen die Längsachse der Faser senkrecht zur Emissionsrichtung der Lichtquelle angeordnet ist. Auf diese Weise führt man die Kollimation einer Senderzeile des Arrays durch. Eine zweite Vorrichtung zur Kollimation muss noch vorgesehen sein, um die Spalten des Arrays zu behandeln.

Die Herstellung einer solchen Linse ist kompliziert und der kleinste Mangel an Qualität oder Ausrichtung dieser Linse verursacht einen Kollimationsfehler.

Die US-4,688,884 beschreibt ein Verfahren zur Kollimierung von mehreren, in einer Zeile angeordneten Sendern (ID-Array oder Matrix). Als Lösung wird vorgeschlagen, eine einzige Glasfaser zu verwenden, die ein geformtes Endstück aufweist und an die Senderzeile angepasst ist, wobei von einer 100 &mgr;m Zeile sowie Fasern dieser Größenordnung ausgegangen wird.

In der US-5,022,043 wird ein komplettes Festkörperlaser-System beschrieben, d.h. mit Pumpsystem und nicht stabilem Resonator. Das Pumpsystem ist eine spezielle Anwendung der US-4,688,884 zwecks Einkopplung des Lichtes einer Senderzeile in eine optische Glasfaser mit geformtem Endstück. In diesem Fall wird die Anzahl der Diodenzeilen multipliziert, deren Strahlung nach dem prinzipiellen Verfahren der US-4,688,884 kollimiert wird, um eine ausreichend hohe Pumpleistung zu erzielen. Die Fasern werden zum Pumpen eines Festkörperlasers gebündelt. Weiterhin zeigt die US-5,022,043 eine Vielzahl von Diodenanordnungen und eine korrespondierende Anzahl von optischen Fasern, wobei diese Vielzahl von optischen Fasern zu einem gebündelten Faserbündel gebündelt werden, wobei das Licht, das durch das gebündelte Faserbündel hindurchgelangt an einem Faserabschluss austritt und auf eine einzige Sammellinse geleitet wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Szenenbeleuchtung, die einen gerichteten und homogenen kollimierten Strahl mit hoher Leuchtstärke ermöglicht, bereitzustellen.

Die oben genannte Aufgabe wird durch die Ansprüche 1 und 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Vorteilhaft ist eine Vorrichtung zur Kollimation eines Arrays mit hoher Leuchtstärke bereitgestellt, mit der die beiden Achsen gleichzeitig behandelt werden können, und die sowohl einfach herzustellen ist, als auch einfach anzuwenden ist, und sehr kompakt aufgebaut ist.

Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung zur Kollimation eines Arrays mit hoher Leuchtstärke gezeigt, das eine Vielzahl von punktförmigen Quellen enthält, wobei sie mehrere optische Faser, enthält, deren erste Enden in der Nähe und direkt gegenüber von besagten Quellen angeordnet sind, und wobei die numerische Apertur dieser Enden der optischen Fasern größer als die numerische Apertur der besagten Quellen ist.

Unter Nähe ist eine Entfernung z.B. zwischen 0,1 und 0,5 mm zu verstehen.

Die numerische Apertur der Quelle ist definiert als der Sinus des Halbwinkels ihrer divergentesten Emission, dagegen ist die numerische Apertur der Faser definiert als der Sinus des halben Aufnahmewinkels &thgr; seitens der Faser, d.h. des maximalen Winkels, unter dem die Faser einen Lichtstrahl aufnehmen kann.

Gemäß einer Besonderheit, mit der der Einspeisungs-Wirkungsgrad der von dem Array mit hoher Leuchtstärke emittierten Strahlung optimiert werden kann, hat die Faser einen Durchmesser, der größer als die Höhe der emittierenden Fläche ist.

Gemäß einer anderen Besonderheit, mit der der Einspeisungs-Wirkungsgrad der von dem Array mit hoher Leuchtstärke emittierten Strahlung optimiert werden kann, besteht die Faser vorzugsweise aus einem thermoformbaren Kunststoff.

Gemäß einer Besonderheit, mit der der Einspeisungs-Wirkungsgrad optimiert werden kann und der Raumbedarf minimiert werden kann, besitzt die Faser eine dünne Hülle, d.h. eine Hülle, deren Dicke unter, einigen zehn Mikrometern beträgt.

Gemäß einer anderen Besonderheit, mit der der Strahl aus mehreren Fasern gelenkt werden kann, enthält eine Vorrichtung mindestens eine Aufnahmelinse, die direkt gegenüber von dem zweiten Ende der Faser angeordnet ist.

Weitere Vorteile und Besonderheiten oder Merkmale sind in der Beschreibung einer besonderen Art der Realisierung der Erfindung und aus den beigefügten Figuren ersichtlich:

1 zeigt ein Schema einer Senderfläche, die aus einem Array mit hoher Leuchtstärke besteht.

2 stellt das Prinzip zur Einspeisung des Lichts in die optische Faser dar.

Die 3a und 3b illustrieren die Schnittstelle zwischen dem obenerwähnten Array und den Kollimationsmittteln gemäß einer besonderen Realisierungsart der Erfindung.

4 zeigt alle Kollimationsmittel gemäß einer besonderen Realisierungsart.

5 zeigt das Profil des Laserstrahls am Ausgang einer optischen Faser, die verwendet wird, um die vom Array mit hoher Leuchtstärke erzeugte Strahlung zu kollimieren.

6 zeigt das Profil des Laserstrahls am Ausgang der in 4 verdeutlichten Kollimationsmittel.

Das zu kollimierende Element ist schematisch dargestellt in 1. Es ist eine Senderfläche, bestehend aus 900 Laser-Senderquellen, wie z.B. Laserdioden Die Abmessungen der gesamten Emissionsfläche betragen 1,5 × 9,6 mm. Diese Senderfläche kann als ein Quellenpunkt angesehen werden, mit einer Divergenz von 10° in einer Achse, die zur Verbindung parallel ist (gemeinhin langsame Achse genannt), und mit einer Divergenz von 40° in einer Achse, die zur Verbindung senkrecht ist (gemeinhin schnelle Achse genannt).

Um eine in den zwei Achsen symmetrische Laserstrahlung mit kontrollierter Divergenz zu erhalten, muss man die Strahlung dieser Senderfläche 1 kollimieren. Wie in 2 zu sehen ist, wird diese Strahlung durch mindestens eine optische Faser 2 kollimiert, deren eines Ende direkt gegenüber und in der Nähe der Senderfläche 1 angeordnet ist.

Wenn man die Senderfläche 1 als einen Quellenpunkt betrachtet, nimmt die optische Multimode-Faser alle Anteile des Strahls 3 auf.

Die optische Faser 2 wird direkt gegenüber von der Senderfläche in einer nicht kritischen Entfernung „e" in der Größenordnung von 0,3 mm angeordnet, wobei die Faser darüber hinaus folgende Besonderheiten aufweist:

  • – ein Aufnahmewinkel &thgr;, größer als die größte Divergenz der abstrahlenden Elemente, welche das Array mit hoher Leuchtstärke bilden.
  • – einen Durchmesser, der größer als die Höhe der Senderfläche ist.

Darüber hinaus muss zur maximalen Reduzierung des seitlichen Raumbedarfs die Hülle der Faser so dünn wie möglich sein, z.B. in der Größenordnung von zehn &mgr;m.

Im Übrigen ist es vorzuziehen, eine Faser aus z.B. thermoformbarem Kunststoff zu benutzen. Diese Besonderheit erlaubt es nämlich, wie in den 3a und 3b gezeigt, die Form der Fasern 2 an die Geometrie der Senderfläche 1 anzupassen, und damit den Einspeisungs-Wirkungsgrad des Lichts in die Faser zu erhöhen. Die Fasern haben ursprünglich einen kreisförmigen Querschnitt; sie werden durch Wärmeformung in Form gebracht, so dass sie, wenn sie nebeneinander angeordnet werden in etwa die gleiche Form wie die Senderfläche 1 haben.

Wie in 4 gezeigt, hat jede Faser zwei Enden 7 und 8, wobei das erste Ende 7 direkt gegenüber von dem Array mit hoher Leuchtstärke angeordnet ist, und das zweite Ende direkt gegenüber von einer Aufnahmelinse 5 angeordnet ist. Jede optische Faser 2 ist ausreichend lang, damit der Strahl bis zu einer evtentuell verschobenen Position gelenkt werden kann, an der die Aufnahmelinsen 5 platziert sind. Diese Aufnahmelinsen können einen gerichteten kollimierten und homogenen Strahl erzeugen.

In dieser Ausführungsart verwendet man für eine Senderfläche von 1,5 × 9,6 mm drei Fasern aus PMMA mit 3 mm Durchmesser und einer numerischen Apertur von 0,5. Die Hülle der Faser besteht aus einem Fluorpolymer mit 30 &mgr;m Dicke. Zur Verbesserung des Einspeisungs-Wirkungsgrads in die Faser passt man das Ende der Faser durch Wärmeformung an die Senderfläche der Diode an.

Ohne Optimierung des Faserkörper-Werkstoffs, der eine nicht vernachlässigbare Absorption bei 800 nm – der Emissionswellenlänge der Diode – aufweist, und ohne Antireflex-Beschichtung auf den Faserflächen erhält man Einspeisungs-Wirkungsgrade von 75 % mit den geformten Enden, im Vergleich zu 65 % ohne Wärmeformung. Die Faserlänge beträgt 30 cm. Am anderen Ende der Faser wird der Strahl mit einer konvergenten Linse 5 aufgefangen, um den gewünschten Beleuchtungswinkel zu erhalten.

5 zeigt das Strahlprofil am Ausgang der optischen Faser, wobei die Divergenz des Strahls durch die numerische Apertur der Faser gegeben ist; man erkennt, dass der Strahl symmetrisch und kreisförmig ist, und sein Intensitätsmaximum in der Mitte hat.

6 zeigt das Strahlprofil nach Durchgang durch die Aufnahmelinsen 5, d.h. nachdem es. durch eine optische Faser homogenisiert und kollimiert und durch die besagten Linsen homogenisiert wurde. Man stellt fest, dass der Strahl eine gute Einheitlichkeit aufweist, die besonders für eine Verwendung in der aktiven Bildverarbeitung interessant ist.

Eine Vorrichtung gemäß der Erfindung hat den Vorteil nur einige Linsen zu benötigen, im Allgemeinen eine pro optische Faser; dies begrenzt beträchtlich den Raumbedarf und reduziert merklich die Anzahl der für ihren Betrieb notwendigen Teile.


Anspruch[de]
Vorrichtung zur Szenenbeleuchtung, die einen gerichteten und homogenen kollimierten Strahl mit hoher Leuchtstärke ermöglicht, wobei die Vorrichtung eine Vielzahl von punktförmigen Strahlungsquellen enthält, wobei sie mehrere optische Fasern (2) enthält, die Vielzahl der punktförmigen Strahlungsquellen ein Array (1) mit hoher Leuchtstärke bildet, die optischen Fasern (2) nebeneinander angeordnet sind, und die Anzahl der optischen Fasern (2) niedriger ist als die Anzahl der punktförmigen Strahlungsquellen, wobei erste Enden (7) der optischen Fasern (2) in der Nähe und direkt gegenüber von den punktförmigen Strahlungsquellen des Arrays (1) mit hoher Leuchtstärke angeordnet sind, wobei die numerische Apertur der ersten Enden (7) der optischen Fasern (2) größer ist als die numerische Apertur der punktförmigen Strahlungsquellen und wobei jeweils eine Linse (5) an dem jeweiligen zweiten Ende (8) der jeweiligen optischen Faser (2) angeordnet ist. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (2) aus Kunststoff bestehen. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (2) aus thermoformbarem Kunststoff bestehen. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (2) einen größeren Durchmesser als die Höhe der Emissionsfläche besitzen. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (2) eine dünne Hülle besitzen, deren Dicke unter einigen zehn Mikrometern beträgt. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die punktförmigen Strahlungsquellen aus Laserquellen bestehen. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die punktförmigen Strahlungsquellen aus Laserdioden bestehen. Verfahren zur Szenenbeleuchtung, das einen gerichteten und kollimierten Strahl mit hoher. Leuchtstärke ermöglicht, wobei die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 verwendet wird.






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