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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
Herstellung einer solchen Linse ist kompliziert und der kleinste
Mangel an Qualität
oder Ausrichtung dieser Linse verursacht einen Kollimationsfehler.
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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 μm Zeile sowie
Fasern dieser Größenordnung
ausgegangen wird.
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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.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Szenenbeleuchtung,
die einen gerichteten und homogenen kollimierten Strahl mit hoher
Leuchtstärke
ermöglicht,
bereitzustellen.
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Die
oben genannte Aufgabe wird durch die Ansprüche 1 und 8 gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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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.
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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.
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Unter
Nähe ist
eine Entfernung z.B. zwischen 0,1 und 0,5 mm zu verstehen.
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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 θ seitens
der Faser, d.h. des maximalen Winkels, unter dem die Faser einen
Lichtstrahl aufnehmen kann.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Weitere
Vorteile und Besonderheiten oder Merkmale sind in der Beschreibung
einer besonderen Art der Realisierung der Erfindung und aus den beigefügten Figuren
ersichtlich:
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1 zeigt
ein Schema einer Senderfläche, die
aus einem Array mit hoher Leuchtstärke besteht.
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2 stellt
das Prinzip zur Einspeisung des Lichts in die optische Faser dar.
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Die 3a und 3b illustrieren
die Schnittstelle zwischen dem obenerwähnten Array und den Kollimationsmittteln
gemäß einer
besonderen Realisierungsart der Erfindung.
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4 zeigt
alle Kollimationsmittel gemäß einer
besonderen Realisierungsart.
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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.
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6 zeigt
das Profil des Laserstrahls am Ausgang der in 4 verdeutlichten
Kollimationsmittel.
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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).
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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.
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Wenn
man die Senderfläche 1 als
einen Quellenpunkt betrachtet, nimmt die optische Multimode-Faser
alle Anteile des Strahls 3 auf.
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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 θ,
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.
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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 μm.
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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.
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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.
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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 μm Dicke. Zur Verbesserung des
Einspeisungs-Wirkungsgrads in die Faser passt man das Ende der Faser
durch Wärmeformung
an die Senderfläche
der Diode an.
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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.
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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.
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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.
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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.