DE102006047531A1

DE102006047531A1 - Anordnung zur Speckel-Reduktion

Info

Publication number: DE102006047531A1
Application number: DE102006047531A
Authority: DE
Inventors: Alexander Pesch; Torsten Semsch; Dietrich Martin
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss AG
Priority date: 2006-10-07
Filing date: 2006-10-07
Publication date: 2008-04-10
Also published as: WO2008040529A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Speckel-Reduktion einer Laserstrahlungsquelle, deren Strahlenbündel durch eine strahlaufweitende Optik vergrößerbar ist, auf einen Diffusor trifft und dann ein Feld beleuchtet, wobei die strahlaufweitende Optik zumindest eine Linse enthält, deren Brechkraft durch eine elektronische Ansteuereinheit veränderbar ist, wobei die Linse eine Variolinse ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Speckel-Reduktion.
Die US 5,851,740 A1 beschreibt eine Lösung zur Speckel-Reduktion, bei der ein Diffuser rotierend bewegt wird. Damit wird erreicht, dass sich das Beleuchtungsfeld zeitlich mittelt und somit Speckel für den Beobachter verschwinden. Nachteil dieser Methode ist die Verwendung von bewegten Elementen, welche nach einer gewissen Zeit verschleißen und zudem Vibrationen und Geräusche entwickeln können.
In der DE 199 45 026 A1 wird eine Kohärenzlängenänderung dadurch erreicht, dass gepulste Laserquellen verwendet werden. Diese Laserquellen sind technisch aufwändig.
Nach dem heutigen Stand der Technik ist das Problem der Speckelpunkte in Belechtungssystemen, beispielsweise für die digitalen Projektion oder Mikroskopen unter Verwendung von Lasern als Lichtquelle nicht befriedigend gelöst.
Die Erfindung soll das Problem lösen, Speckel, die von einem Beobachter wahrgenommen werden können, mit vergleichsweise einfachen Mitteln drastisch zu reduzieren.
Die Lösung der Aufgabe gelingt erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1.
Die Unteransprüche 2 bis 4 sind vorteilhafte Ausgestaltungen des Hauptanspruches.
Die Lösung des Problems besteht darin, dass eine Linse mit variabler Brennweite zur Beleuchtung eines Feldes, insbesondere in den Beleuchtungsstrahlengang eines Projektors oder eines Mikroskops, eingesetzt wird. Die Linse mit der variablen Brennweite verändert die Fokussierung des Lichtbündels sehr leicht.
Es wird eine deterministische Winkeländerung der Strahldivergenz erzeugt.
Die Ansteuerung der Linse mit der variablen Brennweite erfolgt stochastisch (aperiodisch) oder periodisch, wobei die periodische Ansteuerung mit Frequenzen größer 60 Hz erfolgen sollte.
Variable Linsen werden kommerziell angeboten, einerseits basierend auf Elektrobenetzung (electro wetting) von Variooptic (Lyon, Frankreich) oder Philips Research (Eindhoven, Niederlande), andererseits Membranlinsen von Rhevision (San Diego, USA) oder PGS Precision Pte Ltd. (Singapur) und weiterhin Flüssigkristallinsen (LC-lenses) von Flexible Optical B.V. (Delft, Niederlande).
Weiterhin zeigt eine Kombination der Linse mit der variablen Brennweite mit einem nach geschalteten diffraktiven Element (light shaping diffuser LSD) oder einer Streuscheibe eine noch bessere Speckel-Reduktion.
Durch die zeitliche Brennweitenänderung der Linse erfolgt eine gleichzeitige Änderung des Speckelmusters. Durch die zeitliche und räumliche Mittlung der Intensität des Beleuchtungsfeldes über das Integrationsvermögen des Auges mit Hilfe sich ändernder Einfalls- und Abstrahlungswinkel (Defokussierung) erfolgt eine Reduktion des Speckelkontrastes.
Anwendungsgebiete der Lösung werden in Systemen zur Laserprojektion sowie in Mikroskopen mit partiell kohärenter oder voll kohärenter Beleuchtung gesehen.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigen:
1: Schematische Darstellung einer Anordnung zur Speckelreduktion
2: Speckel an einer Projektionsfläche ohne Variation der Linsenbrechkraft
3: Speckel an einer Projektionsfläche mit Variation der Linsenbrechkraft
4: Schematische Darstellung einer Anordnung zur Speckelreduktion mit einer Einrichtung zur Strahlformung
1 zeigt schematisch einen Aufbau zur Reduktion von Speckel, die bei Verwendung von voll- bzw. teilkohärenten Lasern als Beleuchtungsquelle auf Projektionsflächen entstehen.
Innerhalb des optischen Systems werden speziell für die Anwendung gerechnete refraktive strahlaufweitende optische Elemente verwendet, um zum einen die Apertur des Systems zu vergrößern und zum anderen Inhomogenitäten des Laserstrahls durch eine räumliche Mittlung der Teilstrahlen, in Abhängigkeit Divergenzwinkel der Lichtquelle, zu relativieren.
Im Beispiel ist eine Variolinse der Firma Variooptic mit einer elektronischen Ansteuereinheit verbunden, womit deren Brechkraft zwischen –5 dpt und +20 dpt einstellbar ist. Die Variation der Brechkraft erfolgt mit einer Frequenz von 30 Hz. Um zu gewährleisten, daß auf einem Diffusor immer ein aufgeweitetes Lichtbündel einfällt, ist zwischen der Variolinse und dem Diffusor eine strahlaufweitende Linse eingesetzt, deren Brennweite –30 mm ist.
Zwischen der strahlaufweitenden Optik und dem beleuchteten Feld ist der Diffusor in Form einer Kombination zweier Streuscheiben angeordnet. Ein in Lichtausbreitungsrichtung angeordneter erster Diffusor erzeugt eine Strahlaufweitung um 20°. Ein 10 mm hinter der ersten Streuscheibe Angeordnete zweite Streuscheibe erzeugt eine weitere Strahlaufweitung um 25°. Der Diffusor kann auch aus einem oder mehreren LSD (light shaping diffuser) oder DOE (diffractive optical element) aufgebaut sein, wodurch das Winkelspektrum erweitert wird und sich die Speckelverteilung räumlich ändert. Der Diffuser kann auch strahlformend ausgeführt sein.
Mit Hilfe der Erfindung wird eine zeitliche und räumliche Mittelung der Intensität des Beleuchtungsfeldes über das Integrationsvermögen des Auges mit Hilfe der sich ändernder Einfalls- und Abstrahlungswinkel erreicht. Für den Betrachter erscheinen die Speckel wesentlich reduziert. Die vom System in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit der Winkeländerung erzeugten Speckelpunkte werden so schnell bewegt, daß diese vom menschlichen Auge nicht mehr aufgelöst werden.
2 zeigt ein Bild der Speckel an einer Projektionsfläche ohne Variation der Linsenbrechkraft. 3 zeigt ein Bild der Speckel an einer Projektionsfläche mit Variation der Linsenbrechkraft mit einer Frequenz von 30 Hz.
Die Variolinse wird vorzugsweise in einen Beleuchtungsstrahlengang eines Projektors oder eines Mikroskops eingebracht. Durch eine geringe Variation der Brechkraft erfolgt nur eine leichte Defokussierung des Strahlbildes. Durch die zeitliche Brennweitenänderung der Variolinse erfolgt eine gleichzeitige Änderung des Speckelmusters. Durch die zeitliche und räumliche Mittlung der Intensität des Beleuchtungsfeldes über das Integrationsvermögen des Auges mit Hilfe der sich ändernden Einfalls- und Abstrahlungswinkel (Defokussierung) erfolgt eine Reduktion des Speckelkontrastes. Da die Variolinsen eine recht hohe Transmission (90%) haben ist es zweckmäßig als Diffuser ein LSD (light shaping diffuser) einzusetzen, da diese ebenfalls eine hohe Effizienz besitzen.
4 zeigt eine Anordnung entsprechend 1, wobei nach dem Diffusor ein Wabenkondensor sowie eine Sammellinse zur Strahlformung angeordnet sind.

Claims

Anordnung zur Speckel-Reduktion einer Laserstrahlungsquelle, deren Strahlenbündel durch eine strahlaufweitende Optik vergrößerbar ist, auf einen Diffusor trifft und dann ein Feld beleuchtet, wobei die strahlaufweitende Optik zumindest eine Linse enthält, deren Brechkraft durch eine elektronische Ansteuereinheit veränderbar ist, wobei die Linse eine Variolinse ist.
Anordnung zur Speckel-Reduktion einer Laserstrahlungsquelle nach Anspruch 1, bei der die strahlaufweitende Optik aus einer Variolinse, deren Brechkraft vom Negativen bis Positiven variieren kann, und einer Linse negativer Brechkraft besteht.
Anordnung zur Speckel-Reduktion einer Laserstrahlungsquelle nach Anspruch 1, bei der der Diffusor aus mehr als einem Diffusor-Element besteht, wobei die mehreren Diffusor-Elemente voneinander einen Abstand aufweisen.
Anordnung zur Speckel-Reduktion einer Laserstrahlungsquelle nach Anspruch 1, bei der zwischen dem Diffusor und dem beleuchteten Feld mindestens ein Element zur Strahlformung angeordnet ist.