DE102005038999A1

DE102005038999A1 - Strahlformungseinrichtung eines optischen Systems, insbesondere eines optischen Signalaufnehmers und optisches System, insbesondere optischer Signalaufnehmer mit Strahlformungseinrichtung

Info

Publication number: DE102005038999A1
Application number: DE200510038999
Authority: DE
Inventors: Steffen Dr.-Ing. Reichel; Burkhard Dr. Danielzik; Thomas Heinrich; Matthias Ertl; Sigurd Dressler; Thomas Weingärtner; Thomas Reichert
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2005-08-16
Filing date: 2005-08-16
Publication date: 2007-03-01

Abstract

Um die räumliche Intensitätsverteilung eines optischen Signalaufnehmers zu homogenisieren, sieht die Erfindung eine Strahlformungseinrichtung eines optischen Signalaufnehmers vor, welche einen Lichtleiter umfasst, der zumindest entlang eines Längsabschnitts einen zylindersymmetrischen lichtleitenden Bereich aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft allgemein optische Signalaufnehmer, insbesondere betrifft die Erfindung strahlformende Einrichtungen für derartige Vorrichtungen.

Optische Signalaufnehmer werden zumeist mit Laserdioden betrieben. Das Strahlprofil der Lichtstrahlen einer Laserdiode weist im Querschnitt im allgemeinen eine elliptische Intensitätsverteilung sowie eine asymmetrische Abstrahlcharakteristik auf. Ein derartiges Profil ist jedoch nachteilig, um mit dem optischen System eines Signalaufnehmers einen möglichst kleinen, symmetrischen Fokus zu erreichen, wie er etwa für das Schreiben und Lesen von DVD-Datenträgern gefordert wird. Um den geforderten kleinen Fokus zu erhalten, wird daher mit verschiedenen Maßnahmen angestrebt, vor der Fokussierung auf den Datenträger ein möglichst symmetrisches Intensitätsprofil zu erzeugen.

Eine Maßnahme hierzu sind anamorph wirkende Prismen. Optische Signalaufnehmer mit solchen Prismen sind beispielsweise aus der EP 1 453 045 A2 bekannt. Nachteilig ist hier jedoch, daß für die Wirkung eines solchen Prismas eine präzise Ausrichtung der Laserdiode und der weiteren optischen Komponenten erforderlich ist.

Auch die außerdem bekannte Verwendung gekreuzter Zylinderlinsen oder diffraktiver Elemente erfordern eine hohe Positioniergenauigkeit.

Die Strahlformung durch Ausblenden von Teilen des Strahls ist zwar eine vergleichsweise einfache Möglichkeit, allerdings auf Kosten der Lichtausbeute.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Strahlformung insbesondere für optische Signalaufnehmer bereitzustellen, die geringere Anforderungen an die Justage und Ausrichtung der optischen Elemente erfordert und gleichzeitig eine gute Lichtausbeute liefert.

Diese Aufgabe wird bereits in höchst überraschend einfacher Weise durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Demgemäss sieht die Erfindung eine Strahlformungseinrichtung eines optischen Signalaufnehmers vor, welche einen Lichtleiter umfasst, der zumindest entlang eines Längsabschnitt einen zylindersymmetrischen lichtleitenden Bereich aufweist. Der Begriff zylindersymmetrisch wird dabei im Sinne der Erfindung als zylindersymmetrisch bezüglich der optischen Achse verstanden.

Dazu kann der Lichtleiter zumindest entlang eines Längsabschnitts eine Reflexionsfläche mit rundem, beziehungsweise kreisförmigem Querschnitt aufweisen. Ein erfindungsgemäßer optischer Signalaufnehmer umfasst neben der Strahlformungseinrichtung eine geeignete Lichtquelle. Unter einem Signalaufnehmer wird dabei im Sinne der Erfindung nicht nur eine Leseeinrichtung, sondern auch eine Schreib- oder Schreib/Leseeinrichtung verstanden. Dementsprechend kann eine erfindungsgemäße Strahlformungseinrichtung auch in CD- oder DVD-Brennern oder ähnlichen Geräten eingesetzt werden.

Gemäß einer aufgrund ihrer Einfachheit bevorzugten Ausführungsform weist der Lichtleiter dabei entlang seiner gesamten Länge eine Reflexionsfläche mit rundem Querschnitt auf, wodurch sich dementsprechend ein Lichtleiter mit zylindrischer Reflexionsfläche ergibt.

Es hat sich überraschend gezeigt, dass die Reflexion des von der Lichtquelle emittierten und in den Lichtleiter eingekoppelten Lichts an einer derartigen Reflexionsfläche zu einer sehr guten Homogenisierung der räumlichen Intensitätsverteilung und damit einer symmetrischen Abstrahlcharakteristik führt. Die erfindungsgemäße Lösung ist außerdem technisch wesentlich einfacher zu realisieren, als etwa asphärische Flächen refraktiver oder reflektierender optischer Elemente. Insbesondere erlaubt eine erfindungsgemäße Strahlformungseinrichtung mit Lichtleiter in überraschender Weise wesentlich größere Toleranzen in der Ausrichtung der Lichtquelle.

Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht weiterhin vor, dass der Lichtleiter eine transparente Stange umfasst. Ein derartiges Element kann kostengünstig mit hoher Querschnittsgenauigkeit gefertigt werden.

Die transparente Stange kann beispielsweise nach Art eines Wellenleiters einen Kern und zumindest entlang wenigstens eines Abschnitts einen Mantel mit niedrigerem Brechungsindex als der des Kerns und/oder nach Art eines Gradientenindex-Lichtleiters einen sich in radialer Richtung kontinuierlich ändernden, insbesondere abnehmenden Brechungsindex aufweisen. Im letzteren Fall erfolgt die Reflexion dann nicht an einer scharf begrenzten Reflexionsfläche. Auch kann zumindest ein Bereich der transparenten Stange mantellos sein. Diese Weiterbildung schließt insbesondere auch eine entlang ihrer gesamten Länge mantellose transparente Stange ein. Ein zumindest abschnittsweise vorhandener Mantel ist unempfindlicher gegen Verschmutzung oder Kratzern auf der Oberfläche und dadurch bewirktes Herausstreuen von Licht. Demgegenüber bietet eine mantellose oder zumindest abschnittsweise mantellose Ausführung der Erfindung den Vorteil, dass sich größere numerische Aperturen erreichen lassen, da die numerische Apertur NA eines Lichtleiters im allgemeinen durch die Beziehung NA = (n1 2 – n2 2)1/2 gegeben ist, wobei n₁ der Brechungsindex des lichtführenden Mediums und n₂ der Brechungsindex des das lichtführende Medium umgebenden Mediums ist. Allgemein kann eine hohe numerische Apertur zur Erreichung einer guten Durchmischung und Homogenisierung der räumlichen Intensitätsverteilung dementsprechend erreicht werden, indem die Reflexionsfläche des Lichtleiters eine an ein gasförmiges Medium oder Vakuum angrenzende Oberfläche eines lichtleitenden Mediums umfasst.

Im Falle eines mantellosen Abschnitts ist der Brechungsindexunterschied, da das umgebende Medium in diesem Fall im allgemeinen Luft mit n₂≅1 ist, dementsprechend groß.

Je größer die numerische Apertur, desto größer ist bekanntlich der Winkel desjenigen Lichts gegenüber der Mittenachse des Lichtleiters, welches noch im Lichtleiter durch Totalreflexion geleitet werden kann. Dementsprechend erhöht sich mit der numerischen Apertur auch der erfassbare Raumwinkel des von der Lichtquelle abgestrahlten Lichts und damit die Effizienz der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Günstig ist es dabei, wenn der Lichtleiter eine numerische Apertur von zumindest 0.3, bevorzugt von zumindest 0.5, besonders bevorzugt von zumindest 0.7 aufweist.

Die Effizienz der Homogenisierung der Winkelverteilung des Lichts zur Erreichung einer symmetrischen Abstrahlcharakteristik ist außerdem von der Anzahl der Reflexionen des Lichts an der Reflexionsfläche des Lichtleiters abhängig. Die Anzahl der Reflexionen hängt dabei unter anderem vom Verhältnis aus Länge und Durchmesser des Lichtleiters ab. Es zeigt sich überraschenderweise, dass eine sehr gute Strahlformung bereits dann gelingt, wenn das Verhältnis von Durchmesser d zu Länge L des lichtleitenden Bereichs des Lichtleiters L/d zumindest 10, bevorzugt zumindest 12, besonders bevorzugt zumindest 15 beträgt.

Da die im Lichtleiter auftretende Winkelverteilung auch von der numerischen Apertur abhängt, ist es von Vorteil, auch diese Größe bei der Dimensionierung des Lichtleiters zu berücksichtigen. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist dazu vorgesehen, dass das Produkt aus numerischer Apertur mit dem Verhältnis von Länge L zu Durchmesser d des lichtleitenden Bereichs des Lichtleiters, also die Größe NA·L/d zumindest 10, bevorzugt zumindest 12, besonders bevorzugt zumindest 15 beträgt.

Eine gute Durchmischung der Winkelverteilung des emittierten Lichts wird weiterhin bereits dann erreicht, wenn Durchmesser und Länge des Lichtleiters so bemessen sind, dass das durch den Lichtleiter transmittierte Licht der Lichtquelle zumindest durchschnittlich 1,5 mal, bevorzugt zumindest durchschnittlich 2,0 mal, besonders bevorzugt zumindest durchschnittlich 2,5 mal im Lichtleiter reflektiert wird. Die Abmessungen des Lichtleiters können dementsprechend auch an die räumliche Intensitätsverteilung des von der Lichtquelle emittierten Lichts angepasst werden.

Um beispielsweise bei einer mantellosen oder abschnittsweise mantellosen Ausführung des Lichtleiters Verschmutzungen der Oberfläche des Lichtleiters zu vermeiden, kann in vorteilhafter Weiterbildung eine staubdichte Verkapselung des Lichtleiters vorgesehen werden.

Bevorzugte Materialien für den Lichtleiter sind weiterhin Glas oder Kunststoff. Kunststoff ist leicht und kostengünstig zu verarbeiten, wohingegen Glas im allgemeinen bessere optische Eigenschaften aufweist. Diese beiden Materialien können selbstverständlich auch kombiniert werden, beispielsweise in Gestalt einer kunststoffummantelten Glasstange.

Zur Verbesserung der Lichtausbeute können besonders vorteilhaft weiterhin die Eintritts- und/oder Austrittsfläche des Lichtleiters mit einer Antireflexbeschichtung versehen sein, um Reflexionsverluste zu minimieren und hohe Lichtausbeuten zu erzielen.

Je nach Lichtquelle kann weiterhin ein eingangsseitig zum Lichtleiter angeordnetes Fokussierungs- oder Defokussierungselement, insbesondere eine Linse vorgesehen werden. Mit einem solchen Element kann die Winkelverteilung der eingangsseitigen Lichtstrahlen aufgeweitet werden, um auf diese Weise die mittlere Anzahl der Reflexionen der Lichtstrahlen im Lichtleiter zu erhöhen und damit die Homogenisierungseigenschaften der Strahlformungseinrichtung zu verbessern.

Oft stehen Lichtquellen zur Verfügung, die nicht kreissymmetrisch sind. Insbesondere, um die Einkopplung des im allgemeinen dementsprechend sehr asymmetrisch verteilten Lichts zu verbessern, ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung eine Strahlformungseinrichtung eines optischen Systems, insbesondere eines optischen Signalaufnehmers vorgesehen, welche einen Lichtleiter mit einer runden Lichtaustrittsfläche und eine Lichteintrittsfläche mit einem sich von der Lichtaustrittsfläche unterscheidenden Querschnitt umfasst, wobei der Lichtleiter eine von der Querschnittsform der Lichteintrittsfläche in die Querschnitsform der Lichtaustrittsfläche übergehende Form aufweist. Um die Verluste bei der Lichtleitung zu minimieren, kann insbesondere der Lichtleiter entlang zumindest eines Abschnitts eine sich entlang der Lichtführungsrichtung kontinuierlich von der Querschnittsform der Lichteintrittsfläche in die Querschnittsform der Lichtaustrittsfläche übergehende Form aufweisen.

Wenn sich die Lichteintrittsfläche in ihrer Gestalt von der Lichtaustrittsfläche unterscheidet, wird besonders bevorzugt, daß die Lichteintrittsfläche des Lichtleiters eine größere Fläche oder die gleiche Fläche wie die Lichtaustrittsfläche aufweist.

Die Querschnittsform des Lichtleiters kann eine wahlfreie Form haben, die der räumlichen Emission der Lichtquelle angepaßt ist. So kann gemäß einer Weiterbildung der Erfindung die Lichteintrittsfläche des Lichtleiters rechteckig oder quadratisch sein. Rechteckige Formen der Lichteintrittsfläche eignen sich besonders für langgestreckte Lichtquellen, wie etwa für Laserbarren. Insbesondere für derartige Lichtquellen ist dementsprechend eine langgestreckte Form der Lichteintrittsfläche des Lichtleiters von Vorteil. Eine Homogenisierung der räumlichen Lichtverteilung kann dabei sogar mit langgestreckten Eintrittsöffnungen gelingen, die ein Verhältnis von Länge zu Breite von zumindest 5 zu 1 aufweisen. Beispielsweise kann einem Laserbarren mit 16 parallelen Laserdioden ein Lichtleiter mit entsprechend geformter Lichteintrittsfläche nachgeschaltet werden. In diesem Fall kann die Lichteintrittsfläche ein Verhältnis von Länge zu Breite von zumindest 16:1 aufweisen.

Um einen erfindungsgemäßen Lichtleiter für eine Strahlformungseinrichtung eines optischen Systems, insbesondere eines optischen Signalaufnehmers herzustellen, kann gemäß noch einer Ausführungsform der Erfindung transparentes Material heißgepresst werden, so daß ein Lichtleiter mit einer runden Lichtaustrittsfläche und einer Lichteintrittsfläche mit einem sich von der Lichtaustrittsfläche unterscheidenden Querschnitt erhalten wird, wobei der Lichtleiter eine von der Querschnittsform der Lichteintrittsfläche in die Querschnitsform der Lichtaustrittsfläche übergehende Form aufweist.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird dazu das transparente Material zwischen zumindest zwei Formhälften einer Preßform heißgepresst. Dabei muß das transparente Material des Lichtleiters nicht vollständig in der – Preßform aufgenommen oder entlang der ganzen Länge des Lichtleiters verpresst werden. Möglich ist beispielsweise auch, eine transparente Stange mit der Querschnittsform des Ein- oder Austrittsendes an einem Ende in einer Preßform so umgeformt wird, daß dieses Ende der Stange eine abweichende Querschnittsform erhält. Demgemäß wird ein Ende einer transparenten Stange in einer Preßform so umgeformt, daß der gewünschte Querschnitt dieses Endes erhalten wird, wobei das andere, nicht umgeformte Ende bereits den gewünschten zweiten Querschnitt aufweist. Für das Heizen eignet sich insbesondere eine induktive Beheizung der Preßform und/oder des transparenten Materials.

Die umzuformende transparente Stange kann insbesondere auch wieder einen Kern und einen Mantel mit unterschiedlichen Brechungsindizes umfassen. Die numerische Apertur einer solchen Stange beträgt bevorzugt zumindest 0,3, besonders bevorzugt zumindest 0,5. Für sehr hohe Strahldivergenzen der Lichtquelle kann auch eine Stange mit Kern und Mantel mit einer numerischen Apertur von zumindest 0,7 eingesetzt werden. Es ist auch möglich, einen transparenten Mantel nach dem Heißpressen aufzubringen. Dies ist beispielsweise dann von Vorteil, wenn die Stange sehr stark verformt wird, um die gewünschte Form zu erhalten.

Gemäß noch einer Ausführungsform der Erfindung kann der Lichtleiter auch ein Faserbündel umfassen, oder aus mehreren Fasern zusammengesetzt sein. Diese können zumindest entlang eines Abschnitts miteinander verschmolzen oder anderweitig verbunden sein. Dementsprechend wird zur Herstellung eines solchen Lichtleiters ein transparentes Faserbündel zumindest abschnittsweise miteinander verschmolzen.

Neben einem Verschmelzen kommt beispielsweise auch das Verkleben oder das Eingießen der Fasern in transparentes Material, wie etwa in Kunstharz zumindest entlang eines Abschnitts des Faserbündels in Betracht. Verkleben oder Vergießen ist eine besonders kostengünstige Alternative. Gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung wird demgemäß ein Lichtleiter für eine Strahlformungseinrichtung eines optischen Systems hergestellt, indem die Fasern eines Faserbündels zumindest entlang eines Abschnitts miteinander verklebt werden. Auch hierbei wird vorzugsweise die Verklebung so vorgenommen, daß ein Lichtleiter mit einer runden Lichtaustrittsfläche erhalten wird. Weiterhin kann dann wiederum die Lichteintrittsfläche mit einem sich von der Lichtaustrittsfläche unterscheidenden Querschnitt hergestellt werden, wobei der Lichtleiter eine von der Querschnittsform der Lichteintrittsfläche in die Querschnittsform der Lichtaustrittsfläche übergehende Form aufweist.

Als Fasern werden insbesondere solche Fasern verwendet, die wie typische optische Fasern einen Mantel und einen Kern mit höherem Brechungsindizes haben. Es könne jedoch auch – in Analogie zur Ausführungsform mit einer mantellosen transparenten Stange- auch mantellose Fasern verwendet, sowie Fasern mit Mantel und mantellose Fasern miteinander kombiniert werden. Weiterhin kommen selbstverständlich auch Gradienten-Index-Fasern mit kontinuierlich zum Rand hin abnehmendem Brechungsindex in Betracht.

Die Fasern können in einfacher Weise umgeordnet werden, um eine Änderung der Querschnittsflächen des Ein- und Austrittsendes zu erreichen. Im einfachsten Fall bleibt dabei die Querschnittsfläche erhalten. Auf diese Weise kann dann beispielsweise ein Lichtleiter erhalten werden, der eine runde Lichtaustrittsfläche und eine anders geformte, etwa rechteckige oder allgemein langgestreckte Form aufweist, die aber im wesentlichen die gleiche Querschnittsfläche aufweist.

Gemäß noch einer davon ausgehenden Weiterbildung werden die Fasern eines Faserbündels an dessen Enden miteinander verschmolzen. Damit umfaßt der Lichtleiter mehrere Fasern, welche am Lichteintritts- und Lichtaustrittsende miteinander verschmolzen sind und in einem dazwischenliegenden Abschnitt nicht miteinander verschmolzen sind. Auf diese Weise wird eine Lichtformungseinrichtung geschaffen, deren Lichtleiter eine Homogenisierung der Winkelverteilung des eintretenden Lichts schafft und andererseits aufgrund des Abschnitts, in welchem die einzelnen Fasern nicht miteinander verbunden sind, flexibel ist.

Das Material für den Lichtleiter kann direkt in einer geeignet geformten Pressform durch Heißpressen in die gewünschte Form gebracht werden. Alternativ kann auch das transparente Material, insbesondere ein Faserbündel in einer Metall-Ferrule heißgepresst werden. Dabei wird die Ferrule zusammen mit dem darin befindlichen Material zusammen umgeformt.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird das transparente Material für den Lichtleiter nicht durch Zusammenpressen von Formhälften eines Formwerkzeugs geformt, sondern es wird ein Strang transparenten Materials in Längsrichtung in ein konisch geformtes Formwerkzeug eingepresst und heißgeformt. Auch bei dieser Ausführungsform kann eine Metall-Ferrule eingesetzt werden. Diese umgibt zumindest entlang eines Abschnitts den Strang und wird zusammen mit diesem durch das Einpressen in das konische Formwerkzeug geformt.

Ein optisches System, wie etwa ein optischer Signalaufnehmer, welches mit einer erfindungsgemäße Strahlformungseinrichtung ausgestattet ist, zeichnet sich unter anderem dadurch aus, daß nahezu unabhängig von den Eigenschaften und Abmessungen der Lichtquelle eine bezüglich der azimutalen Winkelverteilung sehr homogene Intensitätsverteilung erzielt wird. Das Licht kann dann mit einer hohen Effizienz in weiteren optischen Komponenten des Systems weiterverwendet werden. Sogar ein eintrittsseitig zur Strahlformungseinrichtung angeordneter Laserbarren kann, wie bereits erwähnt, als Lichtquelle verwendet und dessen Strahlung azimutal nahezu vollständig homogenisiert werden. Die Strahlformungseinrichtung kann auch beispielsweise einer optischen Faser des optischen Systems vorgeordnet sein. Auf diese Weise kann unter anderem das Licht eines Laserbarrens sehr effizient in eine solche optische Faser eingeleitet werden. Dabei kann dementsprechend neben einem Homogenisierungseffekt auch eine Fokussierung oder Konzentration des Lichts um die optische Achse erfolgen.

Um die Einkopplung von asymmetrisch von der Lichtquelle abgestrahltem Licht zu verbessern, ist gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung anstelle einer Reflexionsfläche mit entlang der gesamten Länge des Lichtleiters rundem Querschnitt vorgesehen, einen Lichtleiter zu verwenden, dessen Reflexionsfläche am Eintrittsende einen elliptischen Querschnitt aufweist. Der Lichtleiter kann dann so gegenüber der Lichtquelle orientiert werden, dass ein möglichst großer Anteil des Lichts in den Lichtleiter eingekoppelt wird.

Gemäß noch einer Weiterbildung der Erfindung ist zur Erhöhung der Einkoppeleffizienz vorgesehen, dass zumindest ein Abschnitt des Lichtleiters konisch geformt ist, so dass insbesondere die Querschnitte der Reflexionsflächen am Eintritts- und Austrittsende unterschiedliche Durchmesser aufweisen. Der Lichtleiter kann dann so angeordnet werden, dass das Ende mit dem größeren Durchmesser oder der größeren Fläche das Eintrittsende bildet. Auf diese Weise kann zusätzlich ein Fokussierungseffekt erreicht werden. Allgemein kann zur Fokussierung gemäß noch einer Weiterbildung der Erfindung vorteilhaft ein Lichtleiter mit einem sich vom Eintritts- zum Austrittsende hin verjüngenden Querschnitt des lichtleitenden Bereichs vorgesehen werden. Die Verjüngung kann sowohl eine Abnahme des Durchmessers, als auch in einer Abnahme der Querschnittsfläche des lichtleitenden Bereichs sein.

Besonders bevorzugt wird der Lichtleiter im optischen Signalaufnehmer in Verbindung mit einer Laserdiode als Lichtquelle eingesetzt, da gerade Laserdioden Licht mit asymmetrischer Intensitätsverteilung abstrahlen. Allerdings kann sich auch bei Leuchtdioden dieses Problem ergeben, so dass in diesem Fall die Erfindung auch vorteilhaft mit einer Leuchtdiode als Lichtquelle eingesetzt werden kann.

Besonders vorteilhaft kann die Erfindung insbesondere in Verbindung mit blau emittierenden Laserdioden eingesetzt werden. Besonders bei derartigen Laserdioden können aufgrund der kurzen Wellenlänge sehr kleine Fokus-Durchmesser erreicht werden, so dass sich Datenträger mit einer besonders hohen Datendichte beschreiben und/oder lesen lassen. Solche Laserdioden sind beispielsweise für zukünftige Generationen von DVD-Geräten geplant.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert, wobei gleiche und ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind und die Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können.
Es zeigen:
1 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen optischen Signalaufnehmers,
2 eine Querschnittansicht des in 1 dargestellten Lichtleiters,
3 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Strahlformungseinrichtung mit mantellosem Lichtleiter in Verkapselung,
4A bis 4C Längs- und Querschnittansichten eines Ausführungsbeispiels mit elliptischem Querschnitt am Eintrittsende des Lichtleiters,
5 bis 8 Winkelverteilungen der Lichtintensität vor und nach der Strahlformung;
9 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Strahlformungseinrichtung,
10A–10C verschiedene Formen von Lichteintrittsflächen,
11 ein optisches System mit einer wie in 9 dargestellten Strahlformungseinrichtung,
12A, 12B eine Vorrichtung und Verfahrensschritte zur Herstellung eines Lichtleiters für eine erfindungsgemäße Strahlformungseinrichtung,
13A, 13B alternative Verfahrensschritte mit einer wie in 12A, 12B dargestellten Vorrichtung,
14A, 14B eine weitere Vorrichtung und Verfahrensschritte zur Herstellung eines Lichtleiters für eine erfindungsgemäße Strahlformungseinrichtung, und
15 eine Ausführungsform eines Lichtleiters, wie er mit den in 13A, 13B und 14A, 14B gezeigten Verfahrensschritten erhalten werden kann.
In 1 ist in schematischer Ansicht von Komponenten eines erfindungsgemäßen optischen Signalaufnehmers gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung dargestellt. Der optische Signalaufnehmer 1 ist durch ein gestrichelt gezeichnetes Kästchen symbolisiert. Von einer Laserdiode 20 wird Licht mit einer im allgemeinen nicht radialsymmetrischen, sondern vielmehr zumeist elliptischen Intensitätsverteilung emittiert. Das Licht trifft im Signalaufnehmer anschließend auf die erfindungsgemäße Strahlformungseinrichtung 3. Diese umfasst erfindungsgemäß einen Lichtleiter 5, welcher zumindest entlang eines Längsabschnitt einen zylindersymmetrischen lichtleitenden Bereich aufweist. Insbesondere weist der Lichtleiter 5 dazu entlang zumindest eines Längsabschnitts eine Reflexionsfläche mit rundem, beziehungsweise kreisförmigem Querschnitt auf. Bevorzugt wird Glas und/oder Kunststoff als Material für den Lichtleiter 5 verwendet.
Die Lichteintrittsfläche 13 und Lichtaustrittsfläche 15 des Lichtleiters 5 sind jeweils mit Antireflex-Beschichtungen 16, beziehungsweise 17 versehen, um die Ein- und Auskopplung des Lichts zu verbessern.
Ein Querschnitt durch den Lichtleiter 5 ist in 2 dargestellt. Bei dem in den 1 und 2 dargestellten Beispiel eines Lichtleiters 5 in Form einer transparenten Stange 5 mit einem zur Laserdiode 20 zeigenden Eintrittsende und einem Austrittsende für das Licht umfasst dieser einen Kern 7 und einen den Kern entlang seiner gesamten Länge umgebenden Mantel 9. Der Mantel 9 weist nach Art eines Wellenleiters einen niedrigerem Brechungsindex als der Kern 7 auf. Dadurch ergibt sich eine Reflexionsfläche 11 als Grenzfläche zwischen Mantel 9 und Kern 7. Der Kern 7 bildet demgemäss auch den lichtleitenden Bereich 8 des Lichtleiters 5.
Selbstverständlich kann auch ein Gradientenindex-Lichtleiter verwendet werden, bei welchem in radialer Richtung kein scharfer Brechungsindex-Sprung vorhanden ist, sondern bei welchem der Brechungsindex in radialer Richtung ausgehend von dessen optischer Achse zumindest innerhalb eines Zylinderabschnitts innerhalb des Lichtleiters kontinuiertlich abnimmt. Ebenso wie bei einer Ausführungsform mit scharf begrenztem Übergang zwischen Mantel und Kern ist aber auch bei dieser Ausführungsform der lichtleitende Bereich zylindersymmetrisch.
Bei dem in 1 dargestellten Beispiel weist der Kern 7 weiterhin eine besonders einfach herstellbare, im wesentlichen zylindrische Form mit entlang der Länge L gleichbleibendem Durchmesser d auf. Der Querschnitt des lichtleitenden Bereichs 8, beziehungsweise des Kerns 7 ist dabei insbesondere entlang der gesamten Länge des Lichtleiters 5 rund, beziehungsweise kreisförmig.
Durch die Reflexion des hindurchtretenden Lichts an der kreisförmigen Grenzfläche kommt es in überraschender Weise zu einer guten Homogenisierung der räumlichen Intensitätsverteilung. Dies bedeutet im Sinne der Erfindung, dass eine asymmetrische Winkelverteilung des Lichts mittels der Strahlformungseinrichtung in eine symmetrische oder zumindest wesentlich symmetrischere Winkelverteilung geändert wird.
Um eine schnelle Durchmischung zu erreichen, ist dabei eine hohe numerische Apertur des Lichtleiters 5 vorteilhaft. Realisierbar ist bei einem wie in den 1 bis Lichtleiter numerische Aperturen von zumindest 0.3, zumindest 0.5, oder sogar von zumindest 0.7. Beispielsweise können für den Kern optische Gläser mit Brechungsindices von n₂ = 1.52, n₂ = 1.58, oder sogar n₂ = 1.81 und für den Mantel ein Glas mit einem Brechungsindex von n₁ = 1.48 (alle Angaben für eine Wellenlänge von 587 Nanometer) verwendet werden. Damit ergeben sich numerische Aperturen von NA = 0.35 (n₂ = 1.52), beziehungsweise NA = 0.55 (n₂ = 1.58), oder sogar von NA = 1.00 (n₂ = 1.81).
Das Verhältnis von Länge L zu Durchmesser d des lichtleitenden Bereichs 8 des Lichtleiters, L/d, beträgt weiterhin für eine gute Homogenisierung zumindest 10, bevorzugt zumindest 12, besonders bevorzugt zumindest 15. Insbesondere ist vorteilhaft, wenn die Maße des Lichtleiters so ausgewählt werden, dass das Produkt aus numerischer Apertur des Lichtleiters 5 mit dem Verhältnis von Länge L zu Durchmesser d des lichtleitenden Bereichs des Lichtleiters, NA·L/d zumindest 10, bevorzugt zumindest 12, besonders bevorzugt zumindest 15 beträgt. Demgemäss wird, wenn ein Kern mit einem Brechungsindex von n₂ = 1.52 und ein Mantel mit einem Brechungsindex von n₁ = 1.48 verwendet wird (NA = 0.35), die Länge des Lichtleiters 5 vorteilhaft so bemessen, dass gilt:
L ≥ 10·d/0.35, bevorzugt L ≥ 12·d/0.35, besonders bevorzugt L ≥ 15·d/0.35. Entscheidend für die Homogenisierung des Strahlungsfelds der Laserdiode ist die Anzahl der Reflexionen der Lichtstrahlen an der Reflexionsfläche 11. Die Anzahl der Reflexionen hängt dabei sowohl von der Eintrittsposition eines Lichtstrahls, als auch von dessen Winkel ab. Für alle hindurchtretenden Lichtstrahlen kann aber leicht ein -beispielsweise mittels einer Raytracing-Simulation ermittelbarer- Mittelwert der Anzahl der Reflexionen aller möglichen Lichtstrahlen an der Reflexionsfläche 11 angegeben werden. Es hat sich dabei überraschend erwiesen, dass bereits geringe Werte dieser mittleren Reflexionsanzahl zu einer sehr guten Homogenisierung führen. So können Durchmesser und Länge des lichtleitenden Bereichs des Lichtleiters 11 so bemessen werden, daß das durch den Lichtleiter transmittierte Licht der Laserdiode 20 zumindest durchschnittlich 1,5 mal, bevorzugt zumindest durchschnittlich 2,0 mal, besonders bevorzugt zumindest durchschnittlich 2,5 mal im Lichtleiter reflektiert wird. Bereits bei derart geringen Werten der durchschnittlichen Reflexionen wird die räumliche Verteilung des Lichts im allgemeinen hinreichend gut, insbesondere vergleichbar mit anderen bekannten Methoden, wie etwa der Strahlformung mit anamorphen Prismen homogenisiert.
Anhand der mittleren Anzahl der Reflexionen zeigt sich noch ein besonderer Vorteil der Erfindung. Ist die Laserdiode 20 nicht perfekt bezüglich der axialen Mittenachse des Lichtleiters 5 ausgerichtet, so treffen die Lichtstrahlen im Mittel schräger auf die Achse, so dass sich die mittlere Anzahl der Reflexionen erhöht. Damit steigt aber auch gleichzeitig wieder die Homogenisierungswirkung der erfindungsgemäßen Strahlformungseinrichtung. Dementsprechend erlaubt die erfindungsgemäße Strahlformungseinrichtung größere Toleranzen, als dies mit bisher bekannten Lösungen der Fall ist.
Ist die Winkelverteilung der von der Laserdiode 20 ausgehenden Lichtstrahlen zu gering, um eine hinreichende mittlere Anzahl von Reflexionen zu erhalten, kann beispielsweise auch optional eine eingangsseitig zum Lichtleiter 5 angeordnete Linse 25 als Fokussierungselement eingesetzt werden, so dass die Winkelverteilung der eingangsseitigen Lichtstrahlen aufgeweitet wird.
Nach der Strahlformung der Lichtstrahlen durch die Strahlformungseinrichtung 3 werden die Lichtstrahlen bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel mittels einer Linse 22 auf einen Strahlteiler 26 fokussiert. Die am Strahlteiler 26 reflektierten Strahlen treffen dann auf einen steuerbaren Verstellspiegel 28, mit welchem der Laserstrahl, beispielsweise zum Spurführen des Laserstrahls positionierbar ist. Der Laserstrahl wird dann mittels einer Objektivlinse 24 auf die Oberfläche eines optischen Mediums, beispielsweise einer DVD fokussiert. Die vom optischen Speichermedium zurückreflektierten Strahlen passieren schließlich den Strahlteiler 26 und werden dann mittels einer Linse 23 auf einen Photodetektor 30 fokussiert und dort in elektrische Signale umgewandelt. Zur Spursteuerung des Lichtstrahls mittels des Spiegels kann der Photodetektor 30 beispielsweise ein Vier-Quadranten-Detektor sein. Der Aufbau eines solchen optischen Systems mit Verstellspiegel 28 und Mehrquadranten-Detektor ist dem Fachmann bekannt, so dass hier nicht detailliert darauf eingegangen wird.
Aufgrund der Homogenisierung der räumlichen Intensitätsverteilung, die nach dem Durchgang durch die Strahlformungseinrichtung 3 nahezu oder im wesentlichen radialsymmetrisch ist, kann durch die Fokussierung mit der Objektivlinse 24 ein besonders kleiner Fokus-Durchmesser auf dem optischen Datenträger erhalten. Damit wird, verglichen mit einem optischen Signalaufnehmer ohne eine erfindungsgemäße Strahlformungseinrichtung 3 das Auslesen und/oder Schreiben kleinerer Bitstrukturen ermöglicht. Die Vorteile der Erfindung sind insbesondere auch bei Verwendung einer blau emittierenden Laserdiode 20 zum Lesen und/oder Schreiben von DVD-Datenträgern der nächsten Generation entscheidend, da sich nur mit entsprechenden Fokussierungseigenschaften des optischen Systems gegenüber bisher verwendeten Lichtquellen überhaupt ein kleinerer Fokus mit derartigen blauen Lasern erzeugen lässt.
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäße Strahlformungseinrichtung 3. Der Lichtleiter 5 dieses Ausführungsbeispiels ist mantellos. Dementsprechend bildet der gesamte Lichtleiter 5 hier den lichtleitenden Bereich 8 und die Reflexionsfläche 11 ist die Umfangs-Außenfläche 10 des Lichtleiters 5. Der Lichtleiter 5 weist wieder entlang seiner gesamten Länge runden, beziehungsweise kreisförmigen Querschnitt auf, so dass er in seiner Form dem Kern 7 des in den 1 und 2 gezeigten Beispiels entspricht und der lichtleitende Bereich ebenfalls zylindersymmetrisch bezüglich der optischen Achse des Lichtleiters 5 ist.
Hierbei ergibt sich jedoch das Problem, dass die Totalreflexion an der Fläche 10 durch äußere Verschmutzung beeinträchtigt werden kann. Um dies zu vermeiden, ist eine staubdichte Verkapselung 35 vorgesehen, welche den Lichtleiter 5 umgibt. Zwischen der Verkapselung 35 und der Mantel-Außenfläche 10 des Lichtleiters 5 ist ein Hohlraum 37 freigelassen. Auf diese Weise ist die Reflexionsfläche 11 des Lichtleiters 5 eine an ein gasförmiges Medium -im vorliegenden Beispiel die im Hohlraum eingeschlossene Luftangrenzende Oberfläche des lichtleitenden Mediums des Lichtleiters 5. Auf diese Weise wird ein besonders hoher Brechungsindexsprung an der Reflexionsfläche 11, beziehungsweise hier der Mantel-Außenfläche 10 des Lichtleiters 5 erreicht. Wird beispielsweise wieder ein optisches Glas mit einem Brechungsindex von n₂ = 1.52 für den Lichtleiter 5 verwendet, so ergibt sich eine numerische Apertur von NA = 1,00. Solch ein Glas oder Kunststoff mit relativ kleiner Brechzahl hat typischerweise ein höhere Transmission – speziell bei kleinen Wellenlängen, also im blauen Bereich des sichtbaren Lichtes – und ist im Allgemeinen auch kostengünstiger als ein Glas oder Kunststoff mit relativ hoher Brechzahl, z.B. mit n₂ = 1,81.
Die 4A bis 4C zeigen Längs- und Querschnittansichten eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Strahlformungsvorrichtung 3. Dabei zeigt 4A einen Längsschnitt durch den Lichtleiter 5, 4B eine Querschnittansicht am Eintrittsende 13 und 4C eine Querschnittansicht am Austrittsende des Lichtleiters 5.
Bei diesem Ausführungsbeispiel weist der Lichleiter einen konisch geformten, lichteintrittsseitigen Abschnitt 40 und einen zylindrischen, lichtaustrittsseitigen Abschnitt 41 auf. Entlang des Abschnitts 41 weist die den durch den Kern 7 gebildeten lichtführenden Bereich 8 begrenzende Reflexionsfläche 11 ähnlich zu dem in 1 und 2 gezeigten Beispiel einen runden, beziehungsweise kreisförmigen Querschnitt auf. Dies ist nochmals anhand der Querschnittansicht der 4C verdeutlicht.
Im Unterschied zu den vorangegangenen Beispielen ist die Reflexionsfläche 11 am Eintrittsende 13, wie anhand von 4B deutlich wird, außerdem elliptisch geformt. Diese Ausführungsform der Erfindung ist vorteilhaft, da diese Form einer elliptisch deformierten Winkelverteilung der Lichtintensität einer Laserdiode angepasst ist, so dass die Einkopplung verbessert wird.
Bei dieser Ausführungsform der Erfindung verjüngt sich weiterhin aufgrund des konischen Abschnitts 40 der Querschnitt des lichtleitenden Bereichs. Zwar entspricht hier beispielhaft die kleine Halbachse der elliptischen Reflexionsfläche am Eintrittsende 13 im wesentlichen dem Radius der kreisförmigen Reflexionsfläche am Austrittsende 15, allerdings wird die Querschnittsfläche kleiner. Auf diese Weise wird zusätzlich zur Strahlformung außerdem eine Konzentrierung und Fokussierung des Lichts im Lichtleiter 5 erreicht. Dies kann selbstverständlich auch beispielsweise mit einem sich vom Eintrittsende 13 zum Austrittsende 15 hin verjüngenden lichtführenden Bereich mit durchgehend kreisförmigem Querschnitt erreicht werden.
Die 5 bis 8 zeigen Winkelverteilungen der Lichtintensität vor und nach der Strahlformung mittels einer erfindungsgemäßen Strahlformungsvorrichtung 3. Dabei zeigen die 5 und 7 Verteilungen vor der Strahlformung. 7 zeigt dabei das Strahlprofil in einer Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. In 5 ist die Intensität entlang der in 7 eingezeichneten Richtungen A und B dargestellt. Insbesondere entlang der Richtung B ist das Strahlprofil stark asymmetrisch, wobei in der in 5 dargestellten Winkelverteilung B sogar mehrere Maxima zu erkennen sind.
In den 6 und 8 sind die entsprechenden Verteilungen nach der Strahlformung, also nach dem Austritt aus dem Lichtleiter dargestellt. Wie anhand dieser Figuren deutlich wird, ist selbst eine stark asymmetrische Winkelverteilung mittels der Erfindung vollständig in eine radialsymmetrische Verteilung überführbar.
9 zeigt in schematischer Ansicht eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Strahlformungseinrichtung 3 für ein optisches System, wie beispielsweise einem optischen Signalaufnehmer.
Die in diesem Beispiel dargestellte Ausführungsform weist ähnlich wie das in den 4A bis 4C gezeigten Beispiel einen Lichtleiter 5 mit einer runden Lichtaustrittsfläche 15 und eine Lichteintrittsfläche 13 mit einem sich von der Lichtaustrittsfläche 15 unterscheidenden Querschnitt auf, wobei der Lichtleiter weiterhin eine von der Querschnittsform der Lichteintrittsfläche in die Querschnitsform der Lichtaustrittsfläche übergehende Form aufweist. Vorzugsweise geht dabei der Lichtleiter entlang zumindest eines Abschnitts und entlang der Lichtführungsrichtung im Querschnitt kontinuierlich von der Querschnittsform der Lichteintrittsfläche 13 in die Querschnittsform der Lichtaustrittsfläche 15 über.
Die Lichteintrittsfläche 13 weist insbesondere eine laggestreckte Form auf, die dazu geeignet ist, Licht einer entsprechenden langgestreckten Lichtquelle aufzufangen und entlang des Lichtleiters 5 zur Lichtaustrittsfläche 15 zu leiten. Bei dem in 9 gezeigten Beispiel ist die Querschnittsform der Lichteintrittsfläche rechteckig. Ebenso kann die Lichteintrittsfläche aber auch eine andersartige langgestreckte Form, beispielsweise mit gerundeten Ecken oder begrenzenden Halbkreisen, wie in 10A, beziehungsweise 10B gezeigt, oder auch in Gestalt eines abgeflachten Polygons, wie der in 10C gezeigten sechseckigen Form aufweisen. Werden langgestreckte Lichtquellen eingesetzt, ist es von Vorteil, wenn die Lichteintrittsfläche 13 des Lichtleiters 5 eine langgestreckte Form mit einem Verhältnis von Länge zu Breite von zumindest 5 zu 1 aufweist. Damit können dann beispielsweise Laserbarren als Lichtquellen eingesetzt werden.
Der Lichtleiter 5 muß allgemein keinen zylindrischen, lichtaustrittsseitigen Abschnitt aufweisen, sondern kann auch erst an der Austrittsfläche 15 entgültig in eine kreisförmige Querschnittform übergehen. Vorzugsweise ist jedoch der Lichtleiter 5 zumindest im Bereich der Lichtaustrittsfläche 15 zylindrisch, um eine gute Homogenisierung der azimutalen Winkelverteilung des austretenden Lichts zu erreichen. Vorzugsweise ist der Übergang von der Querschnittsform der Lichteintrittsfläche 13 zur Querschnittsform der Lichtaustrittsfläche 15 weiterhin kontinuierlich, um Verluste unter anderem durch Zurückreflexion zu minimieren. Der Lichtleiter ist bevorzugt ein Lichtleiter mit Kern und Mantel, insbesondere mit solche Verhältnissen von Brechungsindizes der Materialien, wie sie auch bei den in den 2, 4A–4C gezeigten Beispielen verwendet werden. demgemäß weist ein solcher Lichtleiter eine numerische Apertur von vorzugsweise zumindest 0.3, besonders bevorzugt zumindest 0.5 auf. Auch ein Kern-Mantel-Stab mit einer numerischen Apertur von zumindest 0.7 kann verwendet werden, wenn beispielsweise sehr divergente Lichtquellen eingesetzt werden sollen. Sind Streueffekte durch sich ablagernden Staub oder andere Verschmutzungen unkritisch, so kann analog zu dem in 3 gezeigten Beispiel auch eine mantellose Stange verwendet werden.
11 zeigt ein als Ganzes mit dem Bezugszeichen 2 bezeichnetes optisches System, in welchem eine wie in 9 dargestellte Strahlformungseinrichtung verwendet wird, die einen Lichtleiter 5 mit einer langgestreckten rechteckigen Lichteintrittsfläche 13 umfaßt.
Eintrittsseitig zur Strahlformungseinrichtung 3 ist ein Laserbarren 50 so angeordnet, daß dessen Lichtaustrittsöffnung 51 gegenüber der Lichteintrittsfläche 13 des Lichtleiters 5 liegt. Die Lichteintrittsfläche 13 ist entsprechend der langgestreckten Lichtaustrittsöffnung 51 des Laserbarrens 50 orientiert, so daß ein Maximum des emittierten Lichts in den Lichtleiter 5 eintreten kann.
Weiterhin ist die Strahlformungseinrichtung 3 einer optischen Faser 54 vorgeordnet, so daß das aus der Lichtaustrittsfläche 15 des Lichtleiters 5 austretende homogenisierte Licht in die optische Faser einkoppeln kann.
Auch dieses optische System kann beispielsweise ein optischer Signalaufnehmer sein. Ebenso kann das System mit den in 11 gezeigten allgemeinen Bestandteilen Lichtquelle (hier beispielhaft der Laserbarren 50), Strahlformungseinrichtung und optische Faser 54 aber auch ein optischer Transmitter sein.
Die 12A und 12B zeigen eine Anordnung und Verfahrensschritte zur Herstellung einer Strahlformungseinrichtung, insbesondere mit einem solchen Lichtleiter, wie ihn die 4A bis 4C oder 9 zeigen.
Das Verfahren und die entsprechende Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens basieren darauf, daß transparentes Material heißgepresst wird, so daß ein Lichtleiter mit einer runden Lichtaustrittsfläche und einer Lichteintrittsfläche mit einem sich von der Lichtaustrittsfläche unterscheidenden Querschnitt erhalten wird, wobei der Lichtleiter eine von der Querschnittsform der Lichteintrittsfläche in die Querschnitsform der Lichtaustrittsfläche übergehende Form aufweist.
Bei dem in den 12A, 12B gezeigten Beispiel wird dazu das transparente Material zwischen den Preßflächen 59, 63 zweier Formhälften 57, 61 einer Preßform in die zwischen zumindest zwei Formhälften einer Preßform der als Ganzes mit dem Bezugszeichen 55 bezeichneten Vorrichtung heißgepresst. Die Beheizung der Preßform und des transparenten Materials erfolgt induktiv mittels Induktoren 70. Im Speziellen wird bei dem in den 12A, 12B eine transparente Stange 65, besonders bevorzugt aus Glas mit der Querschnittsform des Austrittsendes an einem Ende in der Preßform so umgeformt, daß dieses Ende der Stange eine abweichende Querschnittsform erhält. 12 zeigt dazu die Stange, wie sie zwischen den Preßflächen 59, 63 der Formhälften 57, 61 vor dem Pressen eingelegt ist. In 12B ist die Anordnung nach erfolgtem Zusammenpressen dargestellt. Das in die Preßform eingelegte Ende hat nun durch das Pressen eine langgestreckte, rechteckige Form erhalten.
In den 13A, 13B ist eine alternative Verfahrensweise zur Herstellung eines Lichtleiters für eine erfindungsgemäße Strahlformungseinrichtung dargestellt.
Bei dieser Variante wird anstelle einer transparenten Stange, insbesondere aus Glas, ein Faserbündel 76 als transparentes Material eingesetzt. Das Faserbündel 76 ist von einer Ferrule 75, vorzugsweise aus metallischem Material umgeben. 13A zeigt das in die Preßform eingelegte Faserbündel 76 mit Ferrule 75.
Das Faserbündel 76 mit der Ferrule 75 wird dann heißgepresst, wobei wie in dem in 12A, 12B gezeigten Beispiel die Preßflächen 59, 63 der Formhälften 57, 61 aufeinandergepresst werden. Um die Fasern miteinander zu verschmelzen wird auch in diesem Beispiel eine induktive Beheizung mittels Induktoren 70 verwendet. Beim Heißpressen verformt sich auch die Ferrule 75, so daß eine wie in 13B gezeigte langgestreckte Querschnittsform eines Endes des Lichtleiters erhalten wird, wobei die einzelnen Fasern des Faserbündels zu einem verschmolzenen Faserbündel 77 verbunden werden.
Alternativ können die Fasern des Faserbündels 76 auch miteinander verklebt werden. In diesem Fall ist eine induktive Beheizung nicht notwendig. Das Faserbündel kann in diesem Fall in der Preßform während des Aushärtens des Klebers, beispielsweise eines Kunstharzes, in die vorgesehene Form gebracht werden.
Die 14A, 14B zeigen eine weitere Vorrichtung 55 und Verfahrensschritte zur Herstellung von Lichtleitern für eine erfindungsgemäße Strahlformungseinrichtung. In dieser Vorrichtung wird das Heißpressen nicht wie bei den in den 11A, 11B, 12A, 12B gezeigten Vorrichtungen durch Zusammenpressen von Formhälften durchgeführt. Vielmehr wird hier ein ein Strang transparenten Materials in Form eines Faserbündels 76 in Längsrichtung in ein konisch geformtes Formwerkzeug 80 eingeführt (14A) und nachfolgend durch weiteres Vorschieben eingepresst und heißgeformt. Dazu weist das Formwerkzeug einen Kanal 81 mit einem konischen Abschnitt 82 auf, welcher sich in der durch den Pfeil gekennzeichneten Einführrichtung verengt. Auch in diesem Beispiel ist das Faserbündel 76 zumindest in dem Bereich, welcher heißgeformt werden soll, von einer verformbaren, metallischen Ferrule 75 umgeben. Durch die induktive Beheizung schmelzen beim Einpressen in Längsrichtung die einzelnen Fasern auf und verschmelzen miteinander, wobei gleichzeitig der Durchmesser des Strangs und der Ferrule durch das Entlanggleiten in dem sich in Einführrichtung verengenden konischen Abschnitt veringert. Dabei bildet sich wieder ein Abschnitt aus miteinander verschmolzenen Fasern 76. Dieser Verfahrensschritt ist in 14B dargestellt.
Auch mit einem solchen konischen Werkzeug kann alternativ zu einem Verschmelzen der Fasern des Faserbündels 76 eine Verbindung der Fasern durch Verkleben erfolgen.
15 zeigt einen Wellenleiter 5 einer Strahlformungseinrichtung, wie er beispielsweise durch eine Kombination der in den 13A, 13B und 14A, 14B gezeigten Verfahrensschritte erhalten werden kann. Der Lichtleiter 5 gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung weist mehrere miteinander zumindest entlang eines Abschnitts miteinander verschmolzene Fasern, beziehungsweise ein entlang dieses Abschnitts verschmolzenes Faserbündel auf. Insbesondere sind die Fasern am Lichtaustrittsende entlang des zylindrischen Längsabschnitts 41 mit der Lichtaustrittsfläche 15 und am Lichteintrittsende entlang des Längsabschnitts 43 mit der Lichteintrittsfläche 13 miteinander verschmolzen. Weiterhin sind die Fasern in einem zwischen den Abschnitten 41, 43 liegenden Abschnitt 43 nicht miteinander verschmolzen. Damit bleibt der Lichtleiter 5 sogar flexibel. Im Bereich der Abschnitte 41, 43, also dort, wo die Fasern miteinander verschmolzen sind, ist das verschmolzenen Material außerdem jeweils von einer metallischen Ferrule 75 umgeben. Eine Homogenisierung der azimutalen intensitätsverteilung wird unter anderem im zylindrischen, lichtaustrittsseitigen Abschnitt 41 erreicht.
Der Lichtleiter 5, wie ihn 15 zeigt, kann wie folgt hergestellt werden: Der lichteintrittsseitige, abgeflachte Abschnitt 43 mit einer dementsprechend langgestreckten Eintrittsöffnung 13 kann beispielsweise mit einer Preßform einer Vorrichtung 55 wie anhand der 13A, 13B beschrieben wurde, durch Heißpressen und verschmelzen oder Verkleben hergestellt werden. Für den zylindrischen Abschnitt 41 bietet sich beispielsweise ein Heißpressen und Verschmelzen oder auch ein Verkleben des Faserbündels 76 in einem konischen Formwerkzeug entsprechend dem anhand der 14A, 14B erläuterten Verfahren an.
Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass die Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist, sondern vielmehr in vielfältiger Weise variiert werden kann. Insbesondere können die Merkmale der einzelnen beispielhaften Ausführungsformen auch miteinander kombiniert werden.
Bezugszeichenliste

Claims

Strahlformungseinrichtung, insbesondere eines optischen Signalaufnehmers, umfassend einen Lichtleiter, welcher zumindest entlang eines Längsabschnitts einen zylindersymmetrischen lichtleitenden Bereich aufweist.
Strahlformungseinrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter zumindest entlang eines Längsabschnitt eine Reflexionsfläche mit rundem Querschnitt aufweist.
Strahlformungseinrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleiter eine transparente Stange umfasst.
Strahlformungseinrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die transparente Stange einen Kern und zumindest entlang wenigstens eines Abschnitts einen Mantel mit niedrigerem Brechungsindex als der des Kerns oder einen Gradientenindex-Lichtleiter umfasst.
Strahlformungseinrichtung gemäß Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Bereich der transparenten Stange mantellos ist.
Strahlformungseinrichtung eines optischen Systems, insbesondere gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, insbesondere eines optischen Signalaufnehmers, umfassend einen Lichtleiter mit einer runden Lichtaustrittsfläche und eine Lichteintrittsfläche mit einem sich von der Lichtaustrittsfläche unterscheidenden Querschnitt, wobei der Lichtleiter eine von der Querschnittsform der Lichteintrittsfläche in die Querschnitsform der Lichtaustrittsfläche übergehende Form aufweist.
Strahlformungseinrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter entlang zumindest eines Abschnitts eine sich entlang der Lichtführungsrichtung kontinuierlich von der Querschnittsform der Lichteintrittsfläche in die Querschnittsform der Lichtaustrittsfläche übergehende Form aufweist.
Strahlformungseinrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichteintrittsfläche des Lichtleiters rechteckig oder quadratisch ist.
Strahlformungseinrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichteintrittsfläche des Lichtleiters eine langgestreckte Form aufweist, mit einem Verhältnis von Länge zu Breite von zumindest 5 zu 1.
Strahlformungseinrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichteintrittsfläche des Lichtleiters eine größere Fläche als die Lichtaustrittsfläche aufweist.
Strahlformungseinrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflexionsfläche des Lichtleiters am Eintrittsende einen elliptischen Querschnitt aufweist.
Strahlformungseinrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Abschnitt des Lichtleiters konisch geformt ist.
Strahlformungseinrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Lichtleiter mit einem sich vom Eintritts- zum Austrittsende hin verjüngenden Querschnitt des lichtleitenden Bereichs.
Strahlformungseinrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleiter eine numerische Apertur NA von zumindest 0.3, bevorzugt von zumindest 0.5, besonders bevorzugt von zumindest 0.7 aufweist.
Strahlformungseinrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Länge L zu Durchmesser d des lichtleitenden Bereichs des Lichtleiters L/d zumindest 10, bevorzugt zumindest 12, besonders bevorzugt zumindest 15 beträgt.
Strahlformungseinrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Produkt aus numerischer Apertur mit dem Verhältnis von Durchmesser d zu Länge L des lichtleitenden Bereichs des Wellenleiters, NA·d/L zumindest 10, bevorzugt zumindest 12, besonders bevorzugt zumindest 15 beträgt.
Strahlformungseinrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleiter zumindest teilweise aus Glas gefertigt ist.
Strahlformungseinrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleiter zumindest teilweise aus Kunststoff gefertigt ist.
Strahlformungseinrichtung, gekennzeichnet durch ein eingangsseitig zum Lichtleiter angeordnetes Fokussierungs- oder Defokussierungselement.
Strahlformungseinrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine staubdichte Verkapselung des Lichtleiters.
Strahlformungseinrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass die Reflexionsfläche des Lichtleiters eine an ein gasförmiges Medium oder Vakuum angrenzende Oberfläche eines lichtleitenden Mediums umfasst.
Strahlformungseinrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass die Eintritts- und/oder Austrittsfläche des Lichtleiters mit einer Antireflexbeschichtung versehen sind.
Strahlformungseinrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter ein Faserbündel umfasst.
Strahlformungseinrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter mehrere miteinander zumindest entlang eines Abschnitts miteinander verschmolzene oder verklebte Fasern umfasst.
Strahlformungseinrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter mehrere Fasern umfaßt, welche am Lichteintritts- und Lichtaustrittsende miteinander verschmolzen oder verklebt und in einem dazwischenliegenden Abschnitt nicht miteinander verschmolzen oder verklebt sind.
Optisches System mit einer Strahlformungseinrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche.
Optisches System gemäß Anspruch 26, gekennzeichnet durch einen eintrittsseitig zur Strahlformungseinrichtung angeordneten Laserbarren.
Optisches System gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlformungseinrichtung einer optischen Faser vorgeordnet ist.
Optischer Signalaufnehmer mit einer Lichtquelle und einer Strahlformungseinrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche.
Optischer Signalaufnehmer gemäß Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle eine Laserdiode umfasst.
Optischer Signalaufnehmer gemäß Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserdiode eine blau emittierende Diode ist.
Optischer Signalaufnehmer gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Durchmesser und Länge des Lichtleiters so bemessen sind, dass das durch den Lichtleiter transmittierte Licht der Lichtquelle zumindest durchschnittlich 1,5 mal, bevorzugt zumindest durchschnittlich 2,0 mal, besonders bevorzugt zumindest durchschnittlich 2,0 mal im Lichtleiter reflektiert wird.
Verfahren zur Herstellung eines Lichtleiters für eine Strahlformungseinrichtung eines optischen Systems gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei transparentes Material heißgepresst wird, so daß ein Lichtleiter mit einer runden Lichtaustrittsfläche und einer Lichteintrittsfläche mit einem sich von der Lichtaustrittsfläche unterscheidenden Querschnitt erhalten wird, wobei der Lichtleiter eine von der Querschnittsform der Lichteintrittsfläche in die Querschnitsform der Lichtaustrittsfläche übergehende Form aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß das transparente Material zwischen zumindest zwei Formhälften einer Preßform heißgepresst wird.
Verfahren gemäß Anspruch 33 oder 34, dadurch gekennzeichnet, daß eine transparente Stange mit der Querschnittsform des Ein- oder Austrittsendes an einem Ende in einer Preßform so umgeformt wird, daß dieses Ende der Stange eine abweichende Querschnittsform erhält.
Verfahren gemäß Anspruch 33 oder 34, dadurch gekennzeichnet, daß ein transparentes Faserbündel zumindest abschnittsweise miteinander verschmolzen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern eines Faserbündels an dessen Enden miteinander verschmolzen werden.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das transparente Material, insbesondere ein Faserbündel in einer Metall-Ferrule heißgepresst wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Heißpressen mit induktiver Beheizung durchgeführt wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Strang transparenten Materials in Längsrichtung in ein konisch geformtes Formwerkzeug eingepresst und heißgeformt wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Heißpressen ein transparenter Mantel aufgebracht wird.
Verfahren zur Herstellung eines Lichtleiters für eine Strahlformungseinrichtung eines optischen Systems, insbesondere gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Lichtleiter für eine Strahlformungseinrichtung eines optischen Systems hergestellt wird, indem die Fasern eines Faserbündels zumindest entlang eines Abschnitts miteinander verklebt werden und die Verklebung so vorgenommen wird, daß ein Lichtleiter mit einer runden Lichtaustrittsfläche erhalten wird.